JPH0618163A - ドライ式らせんスクリュー型膨脹機を備えた極低温精留プラント - Google Patents

ドライ式らせんスクリュー型膨脹機を備えた極低温精留プラント

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JPH0618163A
JPH0618163A JP5111168A JP11116893A JPH0618163A JP H0618163 A JPH0618163 A JP H0618163A JP 5111168 A JP5111168 A JP 5111168A JP 11116893 A JP11116893 A JP 11116893A JP H0618163 A JPH0618163 A JP H0618163A
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cryogenic
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JP5111168A
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Leslie C Kun
レスリー・チャールズ・クン
Neno T Nenov
ネノ・トドロフ・ネノフ
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Abstract

(57)【要約】 【目的】極低温精留サイクルに能率的に使用することが
できるドライ式らせんスクリュー型膨脹機を提供するこ
と。 【構成】ケーシングと、ケーシングを貫通して外部に延
長した軸と、ケーシング内に収容され、前記軸に取付け
られたらせんスクリューロータと、ケーシングから離隔
したところで前記軸に装着された軸受と、潤滑剤を軸受
へ供給し、軸受から抽出するための手段と、軸受とケー
シングの間で前記軸を囲繞した密封装置と、プロセス流
体がケーシングから軸に沿って移出するのを防止し、潤
滑剤が軸に沿ってケーシング内へ移入するのを防止する
ために、ケーシングに近接した部位で密封装置に密封ガ
スを供給するための手段とから成るドライ式らせんスク
リュー型膨脹機。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般に、供給空気の極
低温精留に関し、特に、製品としての窒素を生成するた
めに供給空気を極低温精留するための極低温精留方法及
び極低温精留プラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】窒素及び酸素等の産業用ガスは、供給空
気を極低温精留する（極低温下で精留する）ことによっ
て商業ベースで多量に生成されている。極低温精留を起
こさせるための冷凍作用は、圧縮されたプロセス流体を
ターボ膨脹させる（ターボ膨脹機で膨脹させる）ことに
よって創生される。プロセス流体は、一般に、圧縮され
た供給空気であるか、あるいは、極低温精留コラムから
抽出された高圧の廃流体である。極低温精留プラント
（「極低温分離プラント」とも称する）のターボ膨脹機
は、その運転コスト及びメンテナンスコストが高いの
で、それらのコストを削減することが望ましい。
【０００３】らせんスクリュー型圧縮機（互いに噛合す
る２つのらせんスクリューから成る圧縮機）は、安価
で、耐久性がよいが、それを膨脹機として逆転使用する
のは望ましくない。なぜなら、油漬けロータタイプ（ら
せんスクリュー即ちロータを収容しているケーシング内
へ潤滑油を溢れさせるタイプ）のらせんスクリュー型圧
縮機は、その潤滑油がプロセス流体を汚染するという欠
点があり、他方、独立歯車駆動、非油漬けタイプ（互い
に噛合する２つのらせんスクリューをそれぞれの別個の
歯車により独立して駆動し、ロータの潤滑面に潤滑油を
付与しないタイプ）のらせんスクリュー型圧縮機は、作
動効率が劣るという欠点がある。更に、後者のタイプ
（独立歯車駆動、非油漬けロータタイプ）は、高温下で
はロータの膨脹により効率が高められるにしても、軸受
の潤滑油によりプロセス流体が汚染され易い。特に、極
低温精留プラントに使用した場合、低温のために潤滑油
が凍結することがあり、更にロータが収縮することによ
り効率を一層低下させることになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、極低温精留に能率的に使用することができる改良さ
れたドライ式らせんスクリュー型膨脹機を提供すること
である。本発明の他の目的は、電力コストの過度の増大
を招くことなく、ドライ式らせんスクリュー型膨脹機を
能率的に利用するすることができる改良された極低温精
留方法及びプラントを提供することである。ここで、
「ドライ式」とは、プロセス流体を膨脹させるロータ
（らせんスクリュー）の潤滑面に潤滑剤を付与しない方
式のことをいう。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、プロセス流体を汚染から防護し、極低温
精留に使用するのに適した、独立歯車駆動式、ドライ式
（非油漬け式）らせんスクリュー型膨脹機を提供する。
本発明は、又、比較的能率のよくない、独立歯車駆動
式、ドライ式らせんスクリュー型膨脹機を、電力コスト
の増大を招くことなく、特定の極低温精留サイクル又は
廃流体膨脹サイクルに特に能率的に利用するすることが
でき、更に若干の改変を加えることによって、空気の膨
脹サイクルにも能率的に利用するすることができるとい
う新規な認識に基づき、改良された極低温精留方法及び
プラントを提供する。
【０００６】従って、本発明の一側面においては、製品
を生成するための極低温式精留プラントであって、
（Ａ）極低温精留コラムシステムと、主熱交換器と、ド
ライ式らせんスクリュー型膨脹機と、（Ｂ）供給物を前
記主熱交換器へ通し、該主熱交換器から前記極低温精留
コラムシステムへ通すための手段と、（Ｃ）前記極低温
精留コラムシステムから廃流体を前記ドライ式らせんス
クリュー型膨脹機へ通し、該廃流体を該膨脹機から前記
主熱交換器へ通すための手段と、（Ｄ）前記主熱交換か
ら廃流体を抽出するための手段と、（Ｅ）該極低温精留
プラントから製品を回収するための手段と、から成る極
低温精留プラントが提供される。
【０００７】本発明の他の側面においては、供給空気を
極低温精留することによって製品を生成するための方法
であって、（Ａ）供給空気を冷却し、該冷却された供給
空気を極低温精留コラムシステムへ通す工程と、（Ｂ）
前記供給空気を前記極低温精留コラムシステム内で極低
温精留することによって製品流体と廃流体とに分離する
工程と、（Ｃ）前記極低温精留コラムシステムから廃流
体を抽出し、該廃流体をドライ式らせんスクリュー型膨
脹機に通すことによって膨脹させて冷凍作用を創生する
工程と、（Ｄ）前記工程（Ａ）の冷却を実施するために
前記膨脹した廃流体を前記供給空気に対して間接熱交換
関係をなして通す工程と、（Ｅ）前記極低温精留コラム
システムから製品を回収する工程と、から成る方法が提
供される。
【０００８】本発明の更に他の側面においては、製品を
生成するための極低温精留プラントであって、（Ａ）極
低温精留コラムシステムと、主熱交換器と、供給物圧縮
機と、（Ｂ）供給物を前記供給物圧縮機から前記主熱交
換器へ通し、該主熱交換器からドライ式らせんスクリュ
ー型膨脹機へ通すための手段と、（Ｃ）供給物を前記ド
ライ式らせんスクリュー型膨脹機から前記極低温精留コ
ラムシステムへ通すための手段と、（Ｄ）前記極低温精
留プラントから製品を回収するための手段と、から成る
極低温精留プラントが提供される。
【０００９】本発明の更に他の側面においては、供給空
気を極低温精留することによって製品を生成するための
方法であって、（Ａ）供給空気を圧縮し、次いで冷却
し、該圧縮された供給空気をドライ式らせんスクリュー
型膨脹機へ通す工程と、（Ｂ）冷凍作用を創生するため
に、前記圧縮された供給空気を前記ドライ式らせんスク
リュー型膨脹機に通すことによって膨脹させる工程と、
（Ｃ）前記供給空気を極低温精留コラムシステム内で極
低温精留することによって製品流体と廃流体とに分離す
る工程と、（Ｄ）前記極低温精留コラムシステムから製
品を回収する工程と、から成る方法が提供される。
【００１０】本発明の更に他の側面においては、ドライ
式らせんスクリュー型膨脹機であって、（Ａ）プロセス
流体入口とプロセス流体出口を有するケーシングと、該
ケーシングを貫通して外部に延長した軸と、該ケーシン
グ内に収容され、前記軸に取付けられたらせんスクリュ
ーロータと、（Ｂ）前記ケーシングから離隔したところ
で前記軸に装着された軸受と、潤滑剤を該軸受へ供給
し、該軸受から抽出するための手段と、（Ｃ）前記軸受
とケーシングの間で前記軸を囲繞した密封装置と、
（Ｄ）プロセス流体が前記ケーシングから前記軸に沿っ
て移出するのを防止し、潤滑剤が該軸に沿って該ケーシ
ング内へ移入するのを防止するために、ケーシングに近
接した部位で前記密封装置に密封ガスを供給するための
手段及び該ケーシングに近接した部位で該密封装置から
密封ガスを抽出するための手段と、から成るドライ式ら
せんスクリュー型膨脹機が提供される。
【００１１】ここでいう「コラム」とは、蒸留又は分留
コラム又は帯域、即ち、流体混合物の分離を行うために
液相と蒸気相とを向流関係で接触させる接触コラム又は
帯域のことである。流体混合物の分離は、例えば、コラ
ム内に設置された一連の上下に離隔したトレー又はプレ
ート及び、又は構造型パッキング（互いに、かつ、コラ
ムの軸線に対して特定の向きに配向されたパッキング部
材）及び、又はランダムパッキング（不規則に配置され
たパッキング部材）等の気液接触部材上で蒸気相と液相
を接触させることによって行われる。このような蒸留コ
ラムの詳細については、Ｒ．Ｈ．ペリー、Ｃ．Ｈ．チル
トン編「ケミカルエンジニアのハンドブック」第５版、
米国ニューヨーク・マックグロー−ヒル・ブック・カン
パニー刊、セクション１３Ｂ．Ｄ．スミス著「蒸留」第
１３−３頁を参照されたい。
【００１２】気液接触分離法は、各成分の蒸気圧の差に
依存している。高い蒸気圧（又は高い揮発性又は低い沸
点）の成分は、蒸気相として濃縮する傾向があり、低い
蒸気圧（又は低い揮発性又は高い沸点）の成分は、液相
として濃縮する傾向がある。蒸留は、液体混合物を加熱
することにより高揮発性成分を蒸気相として濃縮し、そ
れによって液相中の低揮発性成分を濃縮する分離法であ
る。部分凝縮は、蒸気混合物を冷却することにより高揮
発性成分を蒸気相として濃縮し、それによって液相中の
低揮発性成分を濃縮する分離法である。精留又は連続蒸
留は、蒸気相と液相を向流接触関係で処理することによ
って次々に行われる部分蒸発と部分凝縮とを組合せた分
離法である。蒸気相と液相との向流接触は、断熱プロセ
スであり、蒸気相と液相との接触は積分接触であっても
よく、あるいは、微分接触であってもよい。精留の原理
を利用して混合物を分離するための分離装置は、精留コ
ラム、蒸留コラム、又は、分留コラムと称される。極低
温精留とは、少くとも一部分が１５０°Ｋ以下の低い温
度で実施される精留プロセスのことである。
【００１３】ここでいう「間接熱交換」とは、２つの流
体流れを互いに物理的に接触又は混合させることなく熱
交換関係にもたらすことである。「供給空気」とは、成
分分離のための原料として供給される、主として窒素と
酸素から成る空気等の混合物のことである。「廃流体」
とは、極低温精留コラムシステムから抽出された、プロ
セス流体以外の流体のことをいう。廃流体は、回収され
る場合もあり、あるいは大気へ放出される場合もある。
【００１４】「圧縮機」とは、ガスの圧力を増大させる
ための機械のことである。「膨脹機」とは、圧縮された
ガスからその圧力を減少させることにより仕事を抽出す
るための機械のことである。「らせんスクリュー型膨脹
機」とは、ケーシングと、ケーシング内に収容されてお
り、らせん状の溝又は羽根を有する２つの互いに噛合さ
れたらせんスクリュー（ロータ）から成る膨脹機のこと
である。ガス（プロセス流体）が、互いに噛合した羽根
とケーシングとの間に画定される空隙内に捕捉されて膨
脹することにより、ロータ即ち２つのらせんスクリュー
を回転させ、それによって、ガスから仕事を抽出し、そ
の仕事をロータに移行させる。「ドライ式らせんスクリ
ュー型膨脹機」とは、膨脹機の作動チャンバー即ちケー
シング内に油又はその他の潤滑剤を溢れさせないらせん
スクリュー型膨脹機のことである。
【００１５】「頂部凝縮器」とは、コラム頂部の蒸気か
らコラムの下向き液体を創生する熱交換器のことであ
る。「供給低温精留コラムシステム」とは、コラムと、
随意選択として設けられる頂部凝縮器とから成る装置の
ことである。
【００１６】
【実施例】図１は、廃流体膨脹式極低温窒素生成システ
ムの一実施例を示す。本発明は、任意の適当な極低温精
留プラントに適用することができるが、極低温精留コラ
ムシステムの精留コラムからの廃流体を膨脹させて冷凍
作用を創生し、その膨脹した廃流体を入来供給空気に対
して間接熱交換関係をなして搬送することによって該供
給空気を冷却し、その冷却した供給空気の低温を極低温
精留コラムシステム内へ導入して該極低温精留コラムシ
ステムでの極低温精留を惹起させるようにした廃流体膨
脹式極低温窒素生成サイクルに適用するのに特に適して
いる。
【００１７】図１を参照して説明すると、供給物（この
実施例では供給空気）１０１を供給空気圧縮機１０２で
圧縮し、次いで、主熱交換器１０３に通す。主熱交換器
１０３内で、上記圧縮された供給空気を後述する膨脹し
た廃流体と間接熱交換関係におくことによって冷却させ
る。かくして圧縮され冷却された供給空気（水蒸気や、
二酸化炭素等の高沸点不純物も除去されている）を流れ
１０５として極低温精留コラムシステムへ送る。
【００１８】図１に例示された極低温精留コラムシステ
ムは、単一の精留コラム（以下、単に「コラム」とも称
する）１０６と、頂部凝縮器１０８から成る。本発明の
実施においては、極低温精留プラントは単一のコラムを
備えたものとすることが好ましいが、複数基のコラムを
用いることもできる。コラム１０６は、２．８１２〜
９．８４２Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対圧）の範囲内の圧力で作
動させることが好ましい。
【００１９】コラム１０６内において、供給空気は、極
低温精留によって製品窒素蒸気（製品として回収される
窒素蒸気）と窒素含有液体とに分離される。ここでは、
蒸気又は気体のことを「ガス」とも称する。コラム１０
６の上方部分から製品窒素蒸気１０９を抽出する。この
製品窒素蒸気１０９は、９８〜９９．９９９９％又はそ
れ以上の窒素純度を有する。製品窒素蒸気１０９の一部
分１２６を頂部凝縮器１０８内へ通し、頂部凝縮器１０
８内で窒素含有液体との熱交換により凝縮させ、再循還
流れ１１７としてコラム１０６へ戻す。所望ならば、再
循還流れ１１７の一部分１２０を製品液体窒素１１８と
して回収することもできる。
【００２０】コラム１０６内で分離された、ほぼ６０〜
７０％の範囲の窒素濃度を有する窒素含有液体をコラム
１０６の下方部分から流れ１０７として抽出し、弁１３
４を通して減圧し、流れ１２７として頂部凝縮器１０８
内へ通す。窒素含有液体は、頂部凝縮器１０８内で上述
した製品窒素蒸気１０９の一部分１２６との熱交換によ
って沸騰し、相手の製品窒素蒸気を凝縮させる。
【００２１】コラム１０６から抽出した製品窒素蒸気１
０９の他の一部分を供給空気に対して間接熱交換関係を
なして主熱交換器１０３を通して送ることにより加温
し、相手の供給空気を冷却させる。次いで、加温された
製品窒素１２３を圧縮機（図示せず）に通すことによっ
て圧縮することができ、高圧製品窒素として回収するこ
とができる。
【００２２】窒素含有廃流体を精留コラムシステムの頂
部凝縮器１０８から流れ１１２として抽出し、主熱交換
器１０３に部分的に通した後、ドライ式らせんスクリュ
ー型膨脹機１１３に通して膨脹させ、１．４０６Ｋｇ／
ｃｍ2 （絶対圧）〜大気圧の範囲の圧力にまで減圧す
る。ドライ式らせんスクリュー型膨脹機１１３は、上述
した製品窒素圧縮機（図示せず）が使用されている場合
は、その圧縮機に駆動連結することができる。そのよう
な直接駆動連結された膨脹機−圧縮機システムにおいて
は、両機械、即ちドライ式らせんスクリュー型膨脹機と
製品窒素圧縮機とが歯車機構を介して、あるいは、介さ
ずに駆動連結されているので、該膨脹機において膨脹す
るガス流から抽出されたエネルギーが該膨脹機から直接
該圧縮機をを介して圧縮製品窒素ガスへ移行される。こ
の直接的エネルギー移行構成は、膨脹機から例えば発電
等の中間段階を経て圧縮機へエネルギーを移行する間接
的エネルギー移行構成に随伴する外因損失及び設備費用
を最少限にすることができる。廃流体１１２は、ドライ
式らせんスクリュー型膨脹機１１３内を通ることによっ
て該膨脹機１１３を駆動し、それによって膨脹機１１３
は、製品窒素ガスを圧縮するための製品窒素圧縮機（図
示せず）を駆動する。同時に、ドライ式らせんスクリュ
ー型膨脹機１１３内を通ることによって膨脹する廃流体
１１２は、その結果として冷却される。
【００２３】かくして、膨脹し冷却された廃流体１１４
を供給空気に対して間接熱交換関係をなすように主熱交
換器１０３に通して加温し、相手の供給空気を冷却させ
る。その結果冷却された供給空気が、極低温精留コラム
システムに流入することによって極低温精留コラムシス
テム内で供給空気の極低温精留を惹起するのに必要な冷
凍作用が与えられる。加温された廃流体１１４は、流れ
１１６として主熱交換器から排出される。
【００２４】図２は、極低温精留プラント又は極低温空
気分離プラントに能率的に使用することができる本発明
のドライ式らせんスクリュー型膨脹機の詳細断面図であ
る。このドライ式らせんスクリュー型膨脹機１０は、ケ
ーシング３と、ケーシング３を貫通して外部に延長した
軸１１と、ケーシング３内に収容され、軸１１に取付け
られたらせんスクリューロータ（らせんスクリューから
成るロータ）１とから成る。らせんスクリューロータ１
は、ケーシング３内に完全に収容されており、軸１１
は、ケーシング３を貫通しケーシングの両側から外部に
突出している。ドライ式らせんスクリュー型膨脹機１０
は、ケーシング３内に２つのらせんスクリューロータ
（以下、単に「ロータ」とも称する）を備えている。第
２のロータは、図２に参照番号２で示されている。実際
の実施においては、ロータ２も軸１１と同様の軸に取付
けられる。ロータ２の軸に関連する細部構造も、ロータ
１の軸１１に関連して以下に説明する細部構造と同じで
ある。ロータ２の軸に関連する細部構造は、図２では図
示を簡略にするために省略されている。
【００２５】廃流体又は供給空気等のプロセス流体は、
プロセス流体入口１２を通ってケーシング３内に流入
し、プロセス流体１３を通ってケーシング３から流出す
る。プロセス中、ドライ式らせんスクリュー型膨脹機１
０を通るプロセス流体が膨脹して冷凍作用を創生し、ロ
ータ１，２を駆動する。慣用のらせんスクリュー型膨脹
機では、２つのロータのうちの１つだけが駆動され、そ
の一方のロータがそれに噛合している他方のロータを回
転させるように構成されている。このような慣用の構成
では、ロータの損傷を防止するためにケーシング内に潤
滑油（以下、単に「油」と称する）が満たされ、ロータ
が油に浸されるようになされている。しかしながら、プ
ロセス流体が極低温精留又は空気分離プラントに関連し
て用いられるような用途においては、極低温によって油
（潤滑剤）が凍結してしまうので、ケーシング内に潤滑
油を導入することができない。
【００２６】従って、極低温精留サイクルへの適用を企
図した本発明においては、ケーシング内に油を導入しな
いようにしたらせんスクリュー型膨脹機において２つの
ロータを適正な位相関係に維持するために、各ロータの
軸の、ケーシング外に突出した一端に装着された歯車を
利用する。即ち、各ロータの軸をそれぞれ独立して（別
個に）駆動するために各軸に歯車を取付け、それらの歯
車を利用して、互いに噛合する２つのロータ（らせんス
クリュー）の間に適正な位相関係を維持する。本発明の
この独立歯車駆動、非油漬けロータタイプのらせんスク
リュー型膨脹機の効率は、８０％を越えることはなく、
通常、３０〜７０％の範囲である。ここで、「ドライ式
らせんスクリュー型膨脹機」の「ドライ」は、先にも述
べたように、ロータ（らせんスクリュー）の潤滑面に潤
滑剤を付与しないという意味である。
【００２７】軸１１に、ケーシング３の両側でケーシン
グ３から離隔した部位で軸受４を設ける。油等の潤滑剤
を導管１４を通して各軸受４に供給し、各軸受から導管
１５を通して抽出する。この軸受潤滑剤は、軸１１に沿
ってケーシング３内に移入する傾向がある。慣用の油漬
けタイプの圧縮機又は膨脹機は、極低温精留サイクルに
適用した場合は、先に述べたように潤滑油の凍結や、潤
滑油によるプロセス流体の汚染等の問題を惹起する。こ
のことに鑑みて、本発明のドライ式らせんスクリュー型
膨脹機は、極低温精留サイクルに適用するのに特に適す
るように、ケーシング内への潤滑剤の移行を防止するよ
うになされている。即ち、本発明によれば、各軸受４と
ケーシング３の間で軸３を囲繞する密封装置５を設け
る。この密封装置は、軸１１の周りに密封ガスを保持す
る任意の装置であってよく、例えば、シールリング、ラ
ビリンス又は図２に例示されるような溝付ブッシュ等で
あってよい。密封装置５は、潤滑剤が軸受４からケーシ
ング３へ軸１１に沿って移行するのを防止するように軸
１１に沿って一連の局部的高圧部を創生する。
【００２８】密封装置５へ密封ガスを供給する。密封ガ
スは、プロセス流体、例えばは窒素ガス又は供給空気と
同じものであることが好ましい。図２に示された例で
は、通常４．４〜６５．６℃の範囲の温暖な温度の密封
ガスを導管１６及び弁１７を通して導入し、次いで弁１
８を経て密封装置即ち溝付ブッシュ５へ供給する。調整
器１９は、ケーシング３に近接した部位の密封ガスの圧
力を検出し、弁１８を制御して密封ガスの流れを調整す
る。図２には、一方の弁１８に関連した調整器だけが示
されているが、実際には両方の弁１８にそれぞれ関連し
て潮汐１９を設ける。
【００２９】密封ガスは、ケーシング３と軸受４との間
でケーシング３に近接した部位で密封装置５に供給す
る。ここで「ケーシングに近接した部位で」とは、軸受
に対してよりも、ケーシングに対して近い部位でという
意味である。密封装置５からの密封ガスの抽出は、軸受
５に近接した部位で行う。ここで、「軸受に近接した部
位で」とは、ケーシングに対してよりも、軸受に対して
近い部位でという意味である。かくして、密封ガスは、
軸１１と密封装置（溝付ブッシュ）５の内側面との間で
軸１１に沿ってケーシング３から離れて軸受４に向う方
向に流れるので、上述した一連の局部的高圧部と協同し
て、軸受４からケーシング３内への潤滑剤の移行を阻止
する。従って、ケーシング３内には潤滑剤が全く存在し
ない。密封ガスは、又、プロセス流体をケーシング３内
に封じ込める働きもする。図２に示された好ましい構成
では、密封ガスを導入ヘッダー２０を通してブッシュ５
内へ導入し、ブッシュ５から排出ヘッダー２１を通して
排出する。ヘッダー２０及び２１は、いずれも、ブッシ
ュ５の全周に亙って延在している。
【００３０】密封ガスの温暖な温度は、潤滑剤が軸１１
の周面に存在していても、その潤滑剤がプロセス流体の
極低温によって凍結するのを防止する働きをもする。若
干の温暖な密封ガスがケーシング３内に流入する。それ
がケーシング内の低温プロセスガスと混合し、効率の損
失を招くが、そのような効率損失は、本発明の適用によ
って得られる全体的な利点からみて許容し得るものであ
る。
【００３１】先に述べたように、らせんスクリュー型圧
縮機又は膨脹機は、頑丈な機械であり、メンテナンス費
用が安いが、特に独立歯車駆動タイプのものでは、特に
低温下においては作動効率が低い。更に、本発明の膨脹
機を極低温条件下で作動することを可能にする革新的技
術は、膨脹機の作動効率を低下させるが、そのような効
率の低下は、特定の極低温生成サイクル即ち廃流体膨脹
サイクルにおいては、欠点とはならない。本発明は、効
率が低いために従来は極低温精留の分野には適さないと
考えられていたドライ式らせんスクリュー型膨脹機が、
極低温廃流体膨脹サイクルに驚くほど良好に適合すると
いう新規な認識に基づいている。即ち、ドライ式らせん
スクリュー型膨脹機をこの特定の極低温精留サイクルに
適用することにより電力コストの増大を招くことなく、
そのような膨脹機の低設備コスト並びに低メンテナンス
コストの利点を享受することができる。
【００３２】図３は、本発明の独立歯車駆動式、ドライ
式らせんスクリュー型膨脹機を日量４０トンの生産能力
を有する極低温精留による窒素生成プラントに適用した
場合の予想外の利点を示すグラフである。図３のグラフ
において、横軸は、本発明の独立歯車駆動式、ドライ式
らせんスクリュー型膨脹機の効率（％）を表し、縦軸
は、１キロワット当りの電力コストを１５００ドルとし
て、本発明の独立歯車駆動式、ドライ式らせんスクリュ
ー型膨脹機を使用することによって増大する電力コスト
（単位：千ドル）を表す。三角形のデータ表示点を有す
る曲線Ａは、上記膨脹機を供給空気膨脹サイクルに適用
した場合のものであり、円形のデータ表示点を有する曲
線Ｂは、上記膨脹機を廃流体膨脹サイクルに適用した場
合のものである。このグラフから分かるように、供給空
気膨脹サイクルにおいては、膨脹機の効率が８０％から
４０％に低下するにつれて電力コストが急傾斜で増大す
る。これに対して、廃流体膨脹サイクルにおいては、膨
脹機の効率が４０％もの低い効率のときでさえ電力コス
トが増大しない。
【００３３】供給空気膨脹サイクルと廃流体膨脹サイク
ルとの間にこのような相違があるのは、廃流体膨脹サイ
クルにおいては極低温精留コラム内の圧力は、製品ガス
流の圧力レベルに対してある一定の最低限レベルより低
下することがないからである。廃流体膨脹プラントは、
初期設備投資額が少ないが、余剰エネルギーが例えば膨
脹機の流れをバイパスさせることによって無駄にされる
ので、単位電力コストが高くなる。しかしながら、その
ような余剰エネルギーを利用すれば、４０％もの低い効
率で作動する膨脹機であっても空気分離プロセスに必要
とされる十分な冷凍作用を供給することができる。
【００３４】しかしながら、本発明のドライ式らせんス
クリュー型膨脹機は、その作動効率を約６０％以上に上
げるためにケーシングと軸受とを隔絶することによって
空気膨脹式窒素生成サイクル等の空気膨脹サイクルにも
能率的に用いることができる。上述した隔絶の結果とし
て高められた効率での電力コストの増大分は、慣用の膨
脹機に比べての本発明のドライ式らせんスクリュー型膨
脹機の初期設備投資額の節減分を帳消しにするものでは
ないから、本発明は、空気膨脹サイクルにも有利に適用
することができるのである。
【００３５】そのような空気膨脹サイクルに適用した例
が、図４に示されている。図１に示されたものと同様の
要素は、図４においては、図１で用いられた参照番号に
１００を付加した参照番号で示されており、繰返して詳
しくは説明しない。図４を参照して説明すると、窒素含
有廃流体を精留コラムシステムの頂部凝縮器２０８から
流れ２１２として抽出し、弁２３２を通して減圧し、得
られた流れ２４０を圧縮された供給空気に対して間接熱
交換関係をなすように主熱交換器２０３に通すことによ
って加温し、流れ２４１として排出する。一方、流れ２
４０をとの間接熱交換によって冷却された圧縮供給空気
２０５の少くとも一部分をドライ式らせんスクリュー型
膨脹機２１３に通す。図４の実施例では、冷却された圧
縮供給空気２０５の一部分２２８を極低温精留コラム２
０６へ直接送給し、他の一部分２３０を主熱交換器２０
３に部分的に通した後、ドライ式らせんスクリュー型膨
脹機２１３に通して膨脹させる。冷却された圧縮供給空
気２０５のうちドライ式らせんスクリュー型膨脹機２１
３に通して膨脹させる部分２３０は、全体の供給空気２
０５の９０〜１００％の範囲とすることができる。供給
空気２０５の全部（１００％）をドライ式らせんスクリ
ュー型膨脹機２１３に通す場合は、図４に示される流れ
２２８は存在しない。
【００３６】供給空気２３０は、ドライ式らせんスクリ
ュー型膨脹機２１３内を通ることによって該膨脹機を駆
動し、それによって、膨脹機は、製品窒素ガスを圧縮す
るための製品窒素圧縮機（図示せず）を駆動する。同時
に、ドライ式らせんスクリュー型膨脹機２１３内を通る
ことによって膨脹する供給空気２３０は、その結果とし
て冷却される。かくして、膨脹し冷却された供給空気２
３０を極低温精留プラントの極低温精留コラム２０６内
へ導入し、該コラム内で供給空気の極低温精留を惹起す
るのに必要な冷凍作用を供給する。
【００３７】
【発明の効果】叙上のように、本発明の改良されたドラ
イ式らせんスクリュー型膨脹機を使用することによっ
て、極低温精留プラントの設備投資額を節減し、膨脹機
の低効率による実質的な運転コスト増を招くことなく、
極低温精留法により窒素又は酸素を生成することができ
る。
【００３８】以上、本発明を実施例に関連して説明した
が、本発明は、ここに例示した実施例の構造及び形態に
限定されるものではなく、本発明の精神及び範囲から逸
脱することなく、いろいろな実施形態が可能であり、い
ろいろな変更及び改変を加えることができることを理解
されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の改良されたドライ式らせんス
クリュー型膨脹機を有利に用いることができる廃流体膨
脹式極低温窒素生成サイクルの一実施例の概略流れ図で
ある。
【図２】図２は、極低温精留プラントに能率的に使用す
ることができる本発明のドライ式らせんスクリュー型膨
脹機の断面図である。
【図３】図３は、廃流体膨脹サイクルに用いられた場合
の本発明の独立歯車駆動式、ドライ式らせんスクリュー
型膨脹機の利点と、供給物膨脹サイクルに用いられた場
合の本発明の独立歯車駆動式、ドライ式らせんスクリュ
ー型膨脹機の利点を示すグラフである。
【図４】図４は、本発明の改良されたドライ式らせんス
クリュー型膨脹機を有利に用いることができる供給空気
膨脹式極低温窒素生成サイクルの一実施例の概略流れ図
である。
【符号の説明】
１，２：らせんスクリューロータ ３：ケーシング ４：軸受 ５：密封装置 １０：ドライ式らせんスクリュー型膨脹機 １１：軸 １２：プロセス流体入口 １３：プロセス流体出口 １４：潤滑剤導入導管 １５：潤滑剤排出導管 １６：密封ガス導入導管 １９：調整器 ２０：導入ヘッダー ２１：排出ヘッダー １０１：供給物（供給空気） １０２：供給空気圧縮機 １０３：主熱交換器 １０６：精留コラム １０８：頂部凝縮器 １１３：ドライ式らせんスクリュー型膨脹機 ２０１：供給物（供給空気） ２０２：供給空気圧縮機 ２０３：主熱交換器 ２０６：精留コラム ２０８：頂部凝縮器 ２１３：ドライ式らせんスクリュー型膨脹機

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】製品を生成するための極低温式精留プラン
    トであって、 （Ａ）極低温精留コラムシステムと、主熱交換器と、ド
    ライ式らせんスクリュー型膨脹機と、 （Ｂ）供給物を前記主熱交換器へ通し、該主熱交換器か
    ら前記極低温精留コラムシステムへ通すための手段と、 （Ｃ）前記極低温精留コラムシステムから廃流体を前記
    ドライ式らせんスクリュー型膨脹機へ通し、該廃流体を
    該膨脹機から前記主熱交換器へ通すための手段と、 （Ｄ）前記主熱交換から廃流体を抽出するための手段
    と、 （Ｅ）該極低温精留プラントから製品を回収するための
    手段と、 から成る極低温精留プラント。
  2. 【請求項２】前記ドライ式らせんスクリュー型膨脹機
    は、 （Ｆ）プロセス流体入口とプロセス流体出口を有するケ
    ーシングと、該ケーシングを貫通して外部に延長した軸
    と、該ケーシング内に収容され、前記軸に取付けられた
    らせんスクリューロータと、 （Ｇ）前記ケーシングから離隔したところで前記軸に装
    着された軸受と、 潤滑剤を該軸受へ供給し、該軸受から抽出するための手
    段と、 （Ｈ）前記軸受とケーシングの間で前記軸を囲繞した密
    封装置と、 （Ｉ）プロセス流体が前記ケーシングから前記軸に沿っ
    て移出するのを防止し、潤滑剤が該軸に沿って該ケーシ
    ング内へ移入するのを防止するために、ケーシングに近
    接した部位で前記密封装置に密封ガスを供給するための
    手段及び該ケシングに近接した部位で該密封装置から密
    封ガスを抽出するための手段と、から成ることを特徴と
    する請求項１に記載の極低温精留プラント。
  3. 【請求項３】供給空気を極低温精留することによって製
    品を生成するための方法であって、 （Ａ）供給空気を冷却し、該冷却された供給空気を極低
    温精留コラムシステムへ通す工程と、 （Ｂ）前記供給空気を前記極低温精留コラムシステム内
    で極低温精留することによって製品流体と廃流体とに分
    離する工程と、 （Ｃ）前記極低温精留コラムシステムから廃流体を抽出
    し、該廃流体をドライ式らせんスクリュー型膨脹機に通
    すことによって膨脹させて冷凍作用を創生する工程と、 （Ｄ）前記工程（Ａ）の冷却を実施するために前記膨脹
    した廃流体を前記供給空気に対して間接熱交換関係をな
    して通す工程と、 （Ｅ）前記極低温精留コラムシステムから製品を回収す
    る工程と、 から成る方法。
  4. 【請求項４】前記製品は、窒素であることを特徴とする
    請求項３に記載の方法。
  5. 【請求項５】製品を生成するための極低温精留プラント
    であって、 （Ａ）極低温精留コラムシステムと、主熱交換器と、供
    給物圧縮機と、 （Ｂ）供給物を前記供給物圧縮機から前記主熱交換器へ
    通し、該主熱交換器からドライ式らせんスクリュー型膨
    脹機へ通すための手段と、 （Ｃ）供給物を前記ドライ式らせんスクリュー型膨脹機
    から前記極低温精留コラムシステムへ通すための手段
    と、 （Ｄ）前記極低温精留プラントから製品を回収するため
    の手段と、 から成る極低温精留プラント。
  6. 【請求項６】前記ドライ式らせんスクリュー型膨脹機
    は、 （Ｅ）プロセス流体入口とプロセス流体出口を有するケ
    ーシングと、該ケーシングを貫通して外部に延長した軸
    と、該ケーシング内に収容され、前記軸に取付けられた
    らせんスクリューロータと、 （Ｆ）前記ケーシングから離隔したところで前記軸に装
    着された軸受と、 潤滑剤を該軸受へ供給し、該軸受から抽出するための手
    段と、 （Ｇ）前記軸受とケーシングの間で前記軸を囲繞した密
    封装置と、 （Ｈ）プロセス流体が前記ケーシングから前記軸に沿っ
    て移出するのを防止し、潤滑剤が該軸に沿って該ケーシ
    ング内へ移入するのを防止するために、ケーシングに近
    接した部位で前記密封装置に密封ガスを供給するための
    手段及び該ケーシングに近接した部位で該密封装置から
    密封ガスを抽出するための手段と、から成ることを特徴
    とする請求項５に記載の極低温精留プラント。
  7. 【請求項７】供給空気を極低温精留することによって製
    品を生成するための方法であって、 （Ａ）供給空気を圧縮し、次いで冷却し、該圧縮された
    供給空気をドライ式らせんスクリュー型膨脹機へ通す工
    程と、 （Ｂ）冷凍作用を創生するために、前記圧縮された供給
    空気を前記ドライ式らせんスクリュー型膨脹機に通すこ
    とによって膨脹させる工程と、 （Ｃ）前記供給空気を極低温精留コラムシステム内で極
    低温精留することによって製品流体と廃流体とに分離す
    る工程と、 （Ｄ）前記極低温精留コラムシステムから製品を回収す
    る工程と、 から成る方法。
  8. 【請求項８】前記製品は、窒素であることを特徴とする
    請求項７に記載の方法。
  9. 【請求項９】ドライ式らせんスクリュー型膨脹機であっ
    て、 （Ａ）プロセス流体入口とプロセス流体出口を有するケ
    ーシングと、該ケーシングを貫通して外部に延長した軸
    と、該ケーシング内に収容され、前記軸に取付けられた
    らせんスクリューロータと、 （Ｂ）前記ケーシングから離隔したところで前記軸に装
    着された軸受と、 潤滑剤を該軸受へ供給し、該軸受から抽出するための手
    段と、 （Ｃ）前記軸受とケーシングの間で前記軸を囲繞した密
    封装置と、 （Ｄ）プロセス流体が前記ケーシングから前記軸に沿っ
    て移出するのを防止し、潤滑剤が該軸に沿って該ケーシ
    ング内へ移入するのを防止するために、ケーシングに近
    接した部位で前記密封装置に密封ガスを供給するための
    手段及び該ケーシングに近接した部位で該密封装置から
    密封ガスを抽出するための手段と、から成るドライ式ら
    せんスクリュー型膨脹機。
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