JP3703933B2

JP3703933B2 - 窒素生成のための、透過による空気分離方法および装置

Info

Publication number: JP3703933B2
Application number: JP04421597A
Authority: JP
Inventors: ライオネル・バリー
Priority date: 1996-02-28
Filing date: 1997-02-27
Publication date: 2005-10-05
Anticipated expiration: 2017-02-27
Also published as: DE69724679T2; FR2745199A1; FR2745199B1; EP0792678B1; JPH09323018A; EP0792678A1; DE69724679D1; US5829272A; ES2206668T3

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒素生成のための透過による空気分離方法であって、空気が圧縮され、望ましい場合は透過段階から再利用ガスが混合され、冷却され、精製され、精製空気として透過器に導入され、透過器に進入するときの空気の温度が前もって決められた温度差ΔＴにより上昇させられた、圧縮空気の最終冷媒液の温度ＴＡと少なくとも同じである値ＴＳに調節されるタイプの方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半透過性膜は多数のガス混合物の分離を可能とする。透過は、分圧差の膜の反対側への影響下で起こる。透過物、つまり膜を通過するガスは、最も透過性のある成分が豊富であり、残りの部分（濃縮物）は最も透過性のない成分が豊富である。
【０００３】
膜の分離特性は温度に大きく依存する。通常の動作範囲においてほとんどの膜はアレニウス式に従う。例えば、二成分分離の場合、以下の式が成り立つ。
【０００４】
Ｐｅｒｍ_A＝Ｐｅｒｍ_A0×ｅｘｐ（−Ｅ_a（Ａ）／ＲＴ）…（１）
Ｐｅｒｍ_B＝Ｐｅｒｍ_B0×ｅｘｐ（−Ｅ_a（Ｂ）／ＲＴ）…（２）
（Ｐｅｒｍ_A：成分Ａの透過率［成分Ａの単位分圧差についてのＡの透過速度］、
Ｐｅｒｍ_B：成分Ｂの透過率、
Ｐｅｒｍ_A0，Ｐｅｒｍ_B0：定数、
Ｅ_a（Ａ），Ｅ_a（Ｂ）：活性化エネルギー（定数）、
Ｔ：絶対温度、
Ｒ：理想気体定数。）
【０００５】
透過率の比Ｐｅｒｍ_A／Ｐｅｒｍ_B（Ｐｅｒｍ_A＞Ｐｅｒｍ_Bの場合）によって規定される選択性は分離効率の基準となる。これは温度に依存し、以下の式で表される。
【０００６】
ｓｅｌ＝ｓｅｌ₀×ｅｘｐ( Ｅ_a（Ｂ）−Ｅ_a（Ａ））／ＲＴ…（３）
【０００７】
大気からの窒素生成に利用する場合、最も透過性のある成分（成分Ａ）は酸素であり、透過の濃縮物（非透過物）となる窒素（成分Ｂ）は、工業的に高純度で回収され得る。使用される膜は一般的にポリマー膜である。以下の説明は、これを使用する場合にのみ限定される。
【０００８】
空気中のアルゴンは透過物と濃縮物とに分けられ、アルゴンは不活性ガスなのでよりしばしば窒素とともに受け入れられる。以下、「窒素純度」とは、不活性ガス（窒素＋アルゴン）の純度を意味する。この純度は、工業的に、適切な生成のもとで９９％のオーダー値に達し得る。
【０００９】
前記の関係式（１）と（２）は、温度が上昇すると透過率が上昇し、このことは膜の窒素生成、つまり特定の純度と供給圧力での１単位面積の膜によって生成される窒素流量にも同じことが言えることを示す。しかしながらこの流量の増加は入ってくる空気の流量の増加を必要とする。
【００１０】
一方、等式（３）によれば、Ｅ_a（Ｏ₂) ＜Ｅ_a（Ｎ₂）であるので、選択性は減少し、窒素生成量、つまり定純度での濃縮物流量の供給空気流量に対する比にも同じことが言える。
【００１１】
したがって、分離温度の選択は、生産性と分離生成との妥協からなる。分離温度の選択は、選択性、活性化エネルギー、単位面積あたりの費用の、膜の酸素透過性（より一般的には資本費用) に対する比、分離装置の使用の度合い、およびエネルギーコストに依存する。
【００１２】
９３％以下の現行純度とする場合、選択性は重要なパラメーターではなく、比較的高温で動作することが望ましい。反対に、９９％のオーダーの高純度が求められる場合、処理される空気の温度を下げることは経済的に興味深い。
【００１３】
処理される空気の温度を下げる最も経済的な方法は、空気圧縮器の出口で、空気冷却剤を、または所望により冷却水を取り付けることである。こうして、ＴＡ＋２℃（ＴＡは、冷却器で使用された最終冷媒液の温度）のオーダーの温度が達成される。
【００１４】
しかしながら、有効面積を減少させることで透過器の動作を不調にする透過器内の水の存在によるいかなる危険性をも避けるためには、水とオイルとの濾過の後に、空気を数度だけ再加熱し、相対湿度を１００％から８０％未満に下げる（これを透過前の空気を脱飽和という）ことが必要である。
【００１５】
したがって、分離温度ＴＳは、常時少なくともＴＡ＋ΔＴ（ΔＴは前もって決められた温度差）と同じでなくてはならず、しばしば少なくとも５℃であるように選定される。
【００１６】
簡易化するため、通常の方法では、前記の最終冷媒液の予見しうる最高温度よりも例えば５℃高い一定温度ＴＳで動作する。典型的には、圧縮器が最終空気冷却剤を備え、最高周辺温度３５℃で動作する場合ＴＳは約４０℃に選定される。
【００１７】
しかしながら上述のように、温度ＴＳは、この装置を使用する場合、高純度窒素が生成される際、経済的最適値と一致することはほとんどない。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、高純度窒素生成における経済性を向上させることである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は以下のことを特徴とする上述の方法を提供する。
【００２０】
（ａ）温度ＴＡの値が第一しきい値ＴＡ１と同じかそれ以下であるとき、温度ＴＳは一定値ＴＳ１＝ＴＡ１＋ΔＴに調節される。
【００２１】
（ｂ）温度ＴＡの値がＴＡ１とＴＡ１よりも高い第２しきい値ＴＡ２と間にあるとき、温度ＴＳはＴＳ−ＴＡ≧ΔＴに成るように調節される。
【００２２】
本発明による方法は一または複数の以下の特徴を有する。
【００２３】
ＴＳの値は、温度ＴＡのＴＡ１、ＴＡ２の間隔の全範囲において、一定値ＴＳ２である。
【００２４】
温度ＴＡの値がＴＡ１と同じかそれ以下であるとき第１透過面積Ａ１が使用され、ＴＡ値がＴＡ１とＴＡ２の間の温度であるとき、透過面積はＡ１よりも小さい第２値Ａ２にまで減少される。
【００２５】
温度ＴＡの値が、ＴＡ２とＴＡ２よりも高い値ＴＡ３との間にあるとき、温度ＴＳはＴＳ３−ＴＡ３≧ΔＴであるような一定値ＴＳ３に調節される。
【００２６】
温度ＴＡの値が、ＴＡ２とＴＡ２よりも高い値ＴＡ３との間にあるとき、透過面積はＡ２よりも低い値Ａ３にまで再び減少される。
【００２７】
温度ＴＡの値の間隔がＴＡ１よりも高いとき、ＴＳは可変値ＴＡ＋ΔＴに調節される。
【００２８】
ＴＡ１およびΔＴの値はそれぞれ約２５℃、および約５℃である。
【００２９】
本発明はまた、上記で規定した方法の実施に適する窒素生成のための装置を提供する。
【００３０】
この装置は、直列に、空気圧縮器、空冷または水冷式冷却器、水およびオイル濾過器、空気再加熱器、および透過器が配置されてなるタイプであり、空気再加熱器が、冷却器の透過ユニットへ進入する空気の温度ＴＳを、冷却器の最終冷媒液の温度ＴＡの関数として調節する手段を備えることを特徴とする。
【００３１】
本装置の他の特徴によれば、
空気再加熱器は、熱を生じる液のための通路とこの通路のための調整可能なバイパスとを有する；
透過器は少なくとも２つの透過装置を有し、これらのうち少なくとも１つはその稼働を停止させる手段を有する。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。
【００３３】
図１に示される装置は、空気圧縮器２の許容周辺温度、つまり約３５℃までの温度の全範囲において実質的に一定な圧力の下で、排出導管１において純度が９９％（窒素およびアルゴンの純度）である窒素を生成するように設定されている。本装置は、圧縮器２から下流側へ連続的に、空気冷却器３、水およびオイルの濾過ユニット４、空気再加熱器５、透過器６および流量調節弁７を有する。
【００３４】
冷却器３は、圧縮器２で圧縮された空気の循環のためのコイル８が横切るラジエーターを備える。このラジエーターはコイル８へ大気空気を吹きつける送風器９を備える。
【００３５】
濾過ユニット４は連続的に、液体の大きな滴を除去するためのサイクロン１０、そして残留する小滴を除去するための粗い凝集濾過器１１と微細な凝集濾過器１２、および最後に、オイル蒸気を除去するための炭素塔１３を有する。
【００３６】
空気再加熱器５は、濾過された空気のための通路１４と、圧縮器の潤滑および冷却油の向流循環のための通路１５とを有する間接向流熱交換器である。オイル回路１６はさらに交換器の端部へのバイパス１７を有し、このバイパスを循環する液は、透過器に入る空気温度の検出器１８Ａによって制御される３方向弁１８によって調節される。検出器１８Ａは周辺温度の検出器１８Ｂによって規定される制御温度を表示する。
【００３７】
透過器６は、並列に配置される２つの分離濾過装置６Ａおよび６Ｂからなり、それぞれの膜は１９Ａおよび１９Ｂで示される。実際には、それぞれの装置６Ａおよび６Ｂは管状の膜の束を囲包する１または複数の濾過モジュールを有し、分離されるべき空気はこれらの管内へ導入される。装置６Ａまたは６Ｂが複数のモジュールからなる場合は、この分野では知られるように、これらのモジュールは異なった方法で配置され得る。
【００３８】
交換器５を通過した空気を輸送する導管２０は、２つの装置６Ａ、６Ｂの入口にそれぞれつながる岐管２０Ａ、２０Ｂに分かれる。生成された窒素（濃縮物）は、単管２１で再結合する導管２１Ａ、２１Ｂを経由する。導管２１は、弁７の下流側で生成物排出導管１を成す。導管２０Ｂと２１Ｂはそれぞれ遮断バルブ２２Ｂおよび２３Ｂを備える。２つの装置内の富酸素空気からなる透過物は、残留廃棄物Ｗとして、単管２４において再結合する導管２４Ａと２４Ｂを経由して本装置から排出される。
【００３９】
上記各要素４ないし７は、同出願人の欧州特許０５８８７０５に記述されている方法で、検出器１８Ｂによって制御される加熱装置２６により温度制御される格納器２５内に配置される。これにより、装置の停止の間、それぞれ互いに近い温度に維持することができる。
【００４０】
従って上記の装置は、以下の方法で動作する。
【００４１】
周辺温度が２５℃以下である場合、２つの透過装置６Ａと６Ｂを透過するための全ての空気が使用されるように弁２２Ｂと２３Ｂが開かれる。再加熱器５は、２５＋５＝３０℃の空気を導管２０で供給するように調節される。
【００４２】
周辺温度が２５℃を超える場合、弁２２Ｂと２３Ｂは閉じられ、同時に、検出器１８Ａは再加熱器５の基準点を４０℃にする。反対に、周辺温度が２５℃よりも低下すると、弁２２Ｂと２３Ｂは再び開かれ、同時に検出器１８Ａは、再加熱器５の制御点を３０℃まで戻す。
【００４３】
この方法により、周辺温度が高い場合、生成窒素の圧力は、必要であれば圧縮器の加圧能力によって透過器を使用することで、実質的に一定に維持され得る。
【００４４】
図２において、破線（曲線Ｃ１）は、分離温度ＴＳが３５℃以下の全範囲において４０℃で一定である前記の通常の方法を示し、実線（曲線Ｃ２）は、ＴＳがＴＡ≦２５℃のとき３０℃であり、ＴＡが２５〜３０℃の間とき４０℃である上記本方法を示している。
【００４５】
弁７は、以下のどちらかの方法により窒素を一定純度に維持することを保証し得る。
【００４６】
第１の方法によれば、解析器（図示されず）は導管２１内を移動するガスの酸素含量を計測し、この計測値の関数として弁７の開閉度を制御する。より正確には、もし窒素の純度が前もって定めた値よりも下がる場合、解析器は弁の開口度を下げ、またその逆が行われる。
【００４７】
第２の方法によれば、弁７は流量調節器に設置され、つまり導管２１の上流側に設置され、弁の開閉を制御する狭窄部に連結される。こうして調節された流量は、分離温度ＴＳの関数として表示され、したがって検出器１８Ａで制御され得る基準値に対応する。生成する窒素の一定純度を維持することを可能にする流量の変動の法則は透過器のパラメータから決定される。
【００４８】
上記の方法は以下のように改変される。
【００４９】
実際には、再加熱器５での加熱温度変化の透過器への効果は、約１０分経過しなければ現れず、安定化は膜が新たな分離温度に達するのに必要な最後の３０分から１時間の間を除いては生じない。
【００５０】
したがって、ＴＳの値が変化すると、透過面積は、前もって決められた時間まで、そうでなければ、別の態様として、出口圧が前もって決められた値に変更されるときまで、弁２２Ｂと２３Ｂとの操作によって修正され得ない。
【００５１】
この方法の他の態様では、温度ＴＳが変化する間にヒステリシスを導入することを含む。したがって、上記例では、周辺温度が２６℃を超えるときＴＳを３０℃から４０℃に上昇させ、周辺温度が２４℃を下回るときは３０℃から４０℃に戻す。
【００５２】
またある態様において、透過器の空気圧縮器への順応性を改良するために、透過装置は３つの透過器と、２つの周辺しきい値温度と、３つのＴＳ値にさらに分割され得る。もちろん透過装置の数は３より多くすることができる。
【００５３】
例えば、ＴＡ≦２５℃、ＴＳ＝３０℃であるとき、３つの透過装置が動作する。２５℃＜ＴＡ≦３０℃、ＴＳ＝３５℃であるとき、２つの透過器だけが動作する。そして３０℃＜ＴＡ≦３５℃、ＴＳ＝４０℃であるとき、１つの透過器が動作する。これは図２の２点で交わる線（曲線Ｃ３）で示される。
【００５４】
もちろん、この態様では、装置はより複雑に改変される。
【００５５】
一定の透過面積を有する通常の透過装置を使用するために、周辺温度が上昇する間の空気の相対湿度を８０％より下回るように維持する他の方法では、ある一定のしきい値よりも高いＴＡのそれぞれの値、例えばＴＡ＝２５℃であるとき、ＴＳ＝ＴＡ＋５℃に選定し、出口圧に対応する方法で、つまりＴＡが上昇すると出口圧が下がるように調節する。この方法は、窒素の使用が、ＴＳ＝４０℃における対応する出口圧よりも実質的に低い圧力で継続的に行われる多くの場合に適する。
【００５６】
この態様は図２に示される破線（曲線４）に示される。
【００５７】
数値的な例では、装置は、１３バールの圧力を供給する潤滑スクリュータイプの圧縮器２を有する。装置６Ａと６Ｂはそれぞれ２２１０ｍ²と、５２０ｍ²の透過面積を有する。生成された窒素の純度は酸素解析器の手段によって９９％に維持され、ＴＡ＝２０℃の場合の窒素の公称流量は基準１００として選定される。
【００５８】
以下の表は、上述の本発明の方法による２つの主要な動作態様での様々な周辺温度における流量と窒素の圧力（相対バール値）を示す。
【００５９】
【表１】

【００６０】
また本発明の方法は、温暖気候における現行純度（≦９３％）での窒素生成にも適用され得る。従って、長期継続性を改良した条件の下で、温度を下げた状態で、いつでも膜を動作することができる。
【００６１】
他の態様では、冷却器３で使用される冷媒液は水でも成り得、所望する場合は、付加的な回路によって冷却される。この場合、前記温度ＴＡは、交換器内の水の入口温度であり、検出器１８Ｂはこの温度を検出し、検出器１８Ａと温度調整器２６を制御する。
【００６２】
本発明による方法では、透過器６からの透過物の一部を圧縮器２の入口へ再循環させることが当然可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による窒素生成のための装置を示す概略図。
【図２】本発明を表す相対ダイアグラム図。
【符号の説明】
２…空気圧縮器
３…冷却器
４…濾過ユニット
５…空気再加熱器
６…透過器。

Claims

空気を圧縮し、冷却し、および精製し、この精製空気を透過器に導入することを包含し、透過器に進入する空気の温度が前もって決められた温度差ΔＴによって上昇された、圧縮空気の最終冷媒液の温度ＴＡと少なくとも同じである値ＴＳに調節される、窒素生成のための透過による空気分離方法において、
（Ａ）温度ＴＡの値が第一しきい値ＴＡ１と同じかそれ以下であるとき、温度ＴＳは一定値ＴＳ１＝ＴＡ１＋ΔＴに調節され、
（Ｂ）温度ＴＡが、温度ＴＡ１とＴＡ１よりも高い第２値ＴＡ２との間にあるとき、温度ＴＳはＴＳ−ＴＡ≧ΔＴであるような値に調節されることを特徴とする空気分離方法。
ＴＳの値が温度ＴＡが間隔ＴＡ１、ＴＡ２の全範囲において一定である値ＴＳ２である請求項１記載の方法。
温度ＴＡの値がＴＡ１以下であるとき、第１透過面積Ａ１が利用され、温度ＴＡの値がＴＡ１からＴＡ２の間にあるとき、透過面積はＡ１よりも小さい第２値Ａ２に減少する請求項１記載の方法。
温度ＴＡの値がＴＡ２とＴＡ２よりも高いＴＡ３との間にあるとき、温度ＴＳはＴＳ３−ＴＡ３≧ΔＴであるような一定値ＴＳ３に調節される請求項１記載の方法。
温度ＴＡの値がＴＡ２とＴＡ２よりも高いＴＡ３との間にあるとき、透過面積はＡ２よりも少ない第３値に再び減少する請求項３記載の方法。
ＴＡ１よりも大きいすべてのＴＡについて、ＴＳはＴＡ＋ΔＴに等しい請求項１記載の方法。
ＴＡ１の値とΔＴがそれぞれ２５℃と５℃である請求項１記載の方法。
窒素生成のための、透過による空気分離のための装置であって、直列に、空気圧縮器、冷却器、オイルと水を濾過するための装置、空気再加熱器および透過器を有し、空気再加熱器が、冷却器内の最終冷媒の温度の関数として透過器に進入する空気の温度を調節する手段を有する装置。
空気再加熱器が熱交換液のための通路と、この通路のための調節可能なバイパスを有する請求項８記載の装置。
透過器が少なくとも２つの透過装置を有し、これらの少なくとも１つが装置外への排出手段を有する請求項８記載の装置。