JPS6162776A - 昇圧酸素を生成する為の空気分離方法 - Google Patents

昇圧酸素を生成する為の空気分離方法

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、極低温蒸留式空気分離方法の分野に関するも
のであり、特には酸素ガスを昇圧下において効率的に製
造することを可能とする改善方法に関する。
発明の背景 空気をその成分に分離する為の極低温蒸留技術は周知さ
れている。もっとも広く使用されている極低温空気分離
方法の一つは、空気の酸素富化成分と窒素富化成分とへ
の予備的分離を行う高圧塔と、生成物酸素及び／或いは
生成物窒素への最終分離を行う低圧塔という２塔を使用
するものである。２つの塔は熱交換関係に置かれること
が多く、低圧塔が高圧塔上方に配置される。
単基式プロセスでは酸素及び窒素両方について比較的高
純度のものを生成しえないから、こうした２塔式プロセ
スが使用されている。第２塔は、比較的高純度の窒素及
び酸素両方が生成されうるよ５な窒素−酸素平衡曲線の
形状をうまく利用する。第２塔は、高圧での窒素の沸点
が低圧での酸素の沸点より高いという事実に由り、高圧
の窒素が低圧の酸素を沸騰するのに使用されうるよう低
圧下にある。
このような２塔式空気分離方法の使用により、供給空気
は良好なエネルギー効率及び良好な生成物純度でもって
成分に分離される。
しかし、こうした方法においては、生成物が比較的低圧
においての分離から産出されざるを得ない。昇圧下での
生成物を得ることが所望されるならこれは不利な点とな
る。例えば、昇圧下での酸素は一般に、合成燃料への石
炭変換及び金属鉱石精錬のような用途に対して必要とさ
れる。
昇圧酸素の生成は一般に、低圧塔からの生成物酸素を所
望の圧力まで圧縮することにより達成される。しかし、
そのようなやり方は、設備コストや圧縮機の運転コスト
両方の点で非常に費用がかかる。更に、そうした圧縮は
圧縮設備の操作ミスや故障に際して酸素燃焼火炎発生の
危険を呈する点で追加的欠点を有する。酸素ガス圧縮は
特別の安全性への配慮と設備を必要とする。
昇圧下での酸素を発生するのに使用されるまた別の方法
は、低圧塔から液体として酸素を取出しそしてその液体
酸素をもつと高圧にポンプ加圧することである。その後
、酸素は昇圧酸素ガスを発生するよう気化される。この
方法は、酸素ガスを圧縮することと関連して生じる安全
上の問題の一部を好都合に解決する。しかし、こうした
液体ポンプ加圧工程は設備及び運転コスト両面から費用
を喰う。
従来からの２塔式空気分離プラントの使用を可能ならし
めそしてまた低圧塔からの酸素ガスの圧縮或いは低圧塔
からの酸素を液体ポンプ加圧する必要性なく低圧塔の圧
力より大きな圧力において酸素ガスを発生することを可
能ならしめる方法を確立することが所望される。
発明の目的 本発明の目的は、改善された２塔式極低温蒸留空気分離
方法を提供することである。
本発明のまた別の目的は、低圧塔からの酸素ガスを圧縮
する必要性なくまた低圧塔からの酸素液体をもつと高い
圧力にまでポンプ加圧する必要なく、低圧塔の圧力を越
える圧力において酸素ガスを発生することの出来る改善
された２塔式極低温蒸留空気分離方法を提供することで
ある。
発明の概要 本発明は、高圧塔からの蒸気が低圧塔からの液体を加温
して冷却される帯域において熱交換関係にある高圧塔及
び低圧塔における向流液体蒸気接触による供給空気の分
離方法において、（Ａ）前記熱交換関係の帯域から液体
を抜出す段階と、 （Ｂ）該抜出した液体を、高圧塔の圧力と実質上同じ圧
力にある供給空気の主部分と、前記熱交換関係帯域より
低い水準においての間接熱交換により気化して供給空気
を部分凝縮する段階と、 （Ｃ）前記供給空気の部分凝縮主部分の蒸気部分の少く
とも一部を前記高圧塔に導入する段階と、ＣＤ）段階（
Ｂ）で形成された蒸気の少くとも一部を低圧塔の圧力を
越える圧力において回収する段階と を包含する空気分離方法にある。
用語の定義 「間接熱交換」とは、２つの流体流れを両者相互の物理
的接触或いは混合なく熱交換関係に持ちきたすことを意
味する。
「塔」とは、蒸留或いは分留カラム或いは帯域、即ち液
体相と蒸気相とを向流的に接触せしめて流体混合物の分
離をもたらす接触カラム或いは帯域を意味する。これは
例えば、塔内に取付けられた一連の垂直に離間されたト
レイ或いはプレートにおいて或いは塔を充填する充填要
素において蒸気及び液体相を接触することによりもたら
される。
蒸留塔のこれ以上の説明は、マツフグロラーヒルブック
カンパニー社刊「ケミカルエンジニアズノ九ンドプツク
」５編、１３節、１３−３頁を参照されたい。
「２塔」という用語は、低圧塔と、その下端と熱交換関
係にある上端を具備する高圧塔とを意味する。詳細には
、オックスフォードユニバーシティフレス社刊（１９４
９年）「ザセパレーションオブガス」■章を参照された
い。
「蒸気及び液体接触分離プロセス」は成分に対する蒸気
圧の差に依存する分離プロセスである。高蒸気圧（即ち
高揮発性或いは低沸点の）成分は蒸気相中に濃縮する傾
向があり、他方低蒸気圧（低揮発性或いは高沸点の）成
分は液体相中に０縮する傾向がある。「蒸留」は、液体
混合物の加熱が蒸気相中に揮発性成分を濃縮しそして低
揮発性成分を液体相中に濃縮するのに使用されるような
分離方法である。
「部分凝縮」は、蒸気混合物の冷却が蒸気相において揮
発性成分を濃縮しそして液体相に低揮発性成分を濃縮す
るのに使用される分離プロセスである。「精留」或いは
「連続蒸留」は、蒸気相及び液体相の向流処理によって
得られるような順次しての部分蒸発及び凝縮を組合せる
分離プロセスである。蒸気及び液体相の向流接触は断熱
的でありセして相間の連続的な或いは段階的な接触を含
みうる。混合物を分離するのに精留の原理を使用する分
離プロセス設備は、しばしば、精留塔、蒸留塔或いは分
留塔と互換的に呼称される。
発明の詳細な説明 第１図を参照すると、二酸化炭素や水蒸気のような高沸
点不純物を除くよう浄化されそして高圧塔の圧力士圧力
降下による管路損失の補償分の圧力と実質上同じ圧力ま
で圧縮された供給空気１は、後述する流・出流れとの熱
交換関係の下で熱交換器５を通過することＫよって冷却
される。
第１図は本発明方法の好ましい具体例を表し、ここでは
供給空気の１つ以上の小部分が昇圧酸素の気化以外の機
能を達成するのに使用される。これら小部分は、使用さ
れるとしても、入来供給空気の半分を越える総流量に及
ぶことはない。
熱交換器５から流出する冷却圧縮供給空気４１は、上記
小部分と昇圧酸素を気化するのに使用される主部分１０
に分割される。上記小部分が全く使用されないなら、主
部分は供給空気の１００Ｘでありうる。主部分１０は、
供給空気の５０Ｘ以上とすべきであり、好ましくは、供
給空気の約７５％以上、より好ましくは約８５％以上で
ある。
供給空気は、所望なら、主部分１０に加えて流れ６及び
／或いは８に分割されうる。空気流れ６は、熱交換器５
を少くとも部分的に戻して返送されそして流れ４２とし
て流出しそしてこの流れの少くとも一部は膨脹タービン
１６を通してプラント冷凍効果を与える為膨脹される。
冷却膨脹流れ１７はその後低圧塔１Ｂに送入される。流
れ４２の全景がプラント冷凍の為必要とされないなら、
一部は供給空気流れ４１に返送されうる。逆に、冷凍の
為追加空気が必要とされるなら、空気流れがタービンに
直接、即ち熱交換器５に戻して通すことなく送給されう
る。
供給空気４１０部分８は分割してそして熱交換器１５に
おいて窒素流れ２Ｂを加温するのに使用される。熱交換
器１５から出現する冷却された空気流れ４４はその後高
圧塔１２内に供給点１９ＩＣおいて流入する。
プラント冷凍の為の膨脹を受ける空気流れ４２は、使用
される場合には、入来供給空気の約５〜２０Ｘ、好まし
くは５〜１０Ｘを構成する。
流出窒素ガスを加温する部分８は、使用される場合には
、入来供給空気の約１２５〜ｔＯ％を構成する。
供給空気処理及び生成物酸素気化以外の空気分離プロセ
スの操作態様は、従来からの２塔式方法に従って行われ
、その−具体例について簡単に説明する。
高圧蒸留塔１２に流入する供給空気は、窒素富化蒸気と
酸素富化液体とに分留される。高圧塔１２は４０〜１５
０　ｐｓｉａ　、好ましくは６０〜ｑ　ｏ　ｐｓｉａ　
　の範囲内の圧力において運転される。
液体酸素富化流れ２１は塔１２から抜出されそして熱交
換器１５において流出する生成物或いは廃棄物窒素２Ｂ
との間接熱交換によりサブクール即ち適冷される。適冷
液体流れは弁２２を通して膨脹されそして膨脹流れ４７
は低圧塔１８内に導入される。
窒素富化蒸気流れ２３は、高圧塔１２から抜出されそし
て低圧塔の下端に位置づけられる主凝縮器２４に通され
ることにより再沸用低圧塔底部において凝縮される。凝
縮窒素富化流れ４８は、高圧塔１２に液体環流として戻
される流れ２５と熱交換器１５において窒素流れ２８と
の間接熱交換により冷却される流れ２６とに分割される
。生成する冷却流れ４９は弁２７を通して膨脹されそし
て生成流れは低圧塔１日に還流として導入−される。
低圧塔１８に流入する流れは、窒素富化蒸気と酸素α化
液体とに分留される。低圧塔１日は、高圧塔１２の圧力
より小さくそして大気圧〜３０ｐｓｉａ　　、好ましく
は１２．５〜２　ｓ　ｐｓｉａ　の範囲内の圧力におい
て】；！を転される。
気体状窒素流れ２８は、低圧塔１８から抜出され、熱交
換器１５及び５の通過により加温されそして流れ３とし
て空気分離装置系から流出する。
輩素流れは廃棄物として完全に或いは部分的に排気され
うるし、また生成物窒素ガスとして部分的に或いは完全
に回収されうる。
酸素富化液体は低圧塔１８の底部に貯まる。この液体は
主凝縮器２ｔにおいて凝縮している窒素富化蒸気との間
接熱交換によって沸騰される。この態様で、２つの塔は
この帯域において熱交換関係に置かれている。沸騰した
酸素富化蒸気はストリッピング蒸気として低圧塔１８を
通して上方に昇る。
本発明方法において、酸素富化液体はこの熱交換関係の
帯域から抜出される。好ましくは、この熱交換関係帯域
は低圧塔の底部にある。酸素富化液体は約６０〜９９Ｘ
の酸素濃度範囲を有し、一般に９０〜９９％の酸素濃度
を有する。抜出された酸素富化液体は低圧塔の圧力にあ
る。
第１図に戻って、酸素富化液体は、低圧塔１８から導管
１９を通して抜出されそして弁１４を通される。所望な
ら、酸素富化液体の少量の流れ５２を生成物として取出
すことができる。低圧塔から抜出された酸素富化液体の
大半若しくはすべては流れ３３として凝縮器１１ｉＣ通
される。
凝縮器１１は、２つの塔間の熱交換関係の帯域より低い
水準に位置づけられている。従って、凝縮器１１に流入
する酸素富化液体の圧力は、低圧塔から抜出される酸素
富化液体の圧力よりこれら２つの地点間の酸素富化液体
の静圧ヘッドの索だけ太きい。凝縮器１１は、低圧塔の
貯めにおける主凝縮器２４より任意の距離低いところに
設置されうる。実際上、空気凝縮器１１は一般に地上水
準に置かれる。空気凝縮器は高圧塔内部に物理的に位置
づけることさえ可能である。一般に３０ｐＳｉに至るま
でのそして代表的に１ｓ　ｐｓｉまでの酸素圧力の増加
が本発明方法によって実現しうる。
第１図において、得ることの出来る静圧ヘッドは、低圧
塔１８からの３０で示した液体酸素抜出し水準と空気凝
縮器１１内の液水準３１との間の高さの差に等しい。圧
力増加量は静圧ヘッドＸ酸素富化液体密度に関係づけら
れる。
凝縮器１１内で、酸素富化液体は供給空気の主部分１０
との間接熱交換により気化される。先に示したように、
主部分１０は１００Ｘ供給空気でありうる。生成する酸
素富化気体は流れ５４として凝縮器１１から取出され、
熱交換器５を通すことによって加温されそして低圧塔の
圧力を越える圧力下の酸素生成物流れ２として回収され
る。生成物酸素は凝縮器１１において気化された圧力に
おいて回収されうるし、或いは所望ならもつと高い圧力
にまで圧縮されうる。いずれにせよ、生成物酸素に対す
る圧縮コストは完全に排除されるか或いは著しく低減さ
れる。
凝縮器１１内で、供給空気は部分凝縮されそして部分凝
縮された供給空気は流れ２０として高圧塔１２に通され
、ここで精留による分離を受ける。
凝縮器１１内で部分凝縮を受ける供給９気の主部分は高
圧塔の圧力と実質上等しい圧力即ち高圧塔の圧力より最
大１０　ｐｓｉ　、好ましくは５　ｐｓｉ以下高い圧力
にある。従って、ａｍ器１１から出現する部分凝縮供給
空気は、工程非効率化の要因となる弁膨脹によるような
圧力減少の必要なく高圧塔内は直接供給されうる。
液体酸素を気化する為の媒体として供給空気の主部分を
使用する本発明方法の主たる利益はここにある。供給空
気の小部分がこの作用を行うのに使用されたなら、その
小部分は液体酸素を完全に気化する為には高圧塔の圧力
を越えての加圧を先ず必要としよう。これは、凝縮器か
ら流出する空気が高圧塔内への導入に先立って圧力を減
少されねばならないことを意味し、工程の非効率化をも
たらす。
更には、供給空気の小部分が液体酸素を気化するのに使
用されるなら、その小部分の全量が凝縮することがきわ
めて起りやすい。これは所望されない。凝縮器１１内で
の供給空気の部分凝縮は第１分離段階として機能するの
で、高圧塔に流入する部分凝縮供給空気は一つの平衡段
階を効果的に完了する。凝縮器１１を通して供給空気の
主部分を流すことにより、本発明方法は、凝縮器を離れ
る空気が部分的にのみ凝縮され、従って工程効率が増大
する。一般に、供給空気の主部分の約２０〜３５％が、
凝Ｍ器内で気化する酸素に対して凝縮されよう。
第１図に示されるように、供給流れ２０は高圧塔１２内
に低圧塔に移送されるべき液体が貯留している塔底近く
で導入される。当業者には理解されるように、高圧塔１
２０基部は部分凝縮供給空気に対する相分離器として機
能している。均等具体例の一つは、管路２０内に別個の
相分離器を組込むものである。分離器からの蒸気相は塔
１２に送られそして分離器からの液相の少くとも一部、
好ましくはすべては低圧塔への移送の為直接塔底液２１
に合流される。
更に１部分凝縮供給空気の蒸気部分は全量高圧塔に導入
される必要はない。例えば、この蒸気部分の一部は膨脹
されそして低圧塔に導入されうる。
この膨脹流れはプラント冷凍を提供するのに使用されう
る。
空気凝縮器の好適な運転の為には、加圧供給空気１０の
露点が加圧酸素富化液体３３を気化するに充分高くなけ
ればならない。しかし、供給空気を２塔操作に対して所
望される水準を越えて圧縮することは一般に非実用的で
あるから、得られるだけの静圧ヘッドのすべてを酸素分
圧を最大限にするのに利用することはない。酸素富化液
体の圧力は、位置に応じて圧力降下の変化を与える弁１
４により制御されうる。
空気凝縮器１１の満足しうる運転の為には、凝縮器１１
内の液体水草３１は最大値の約５０〜９０％に推持され
ねばならずそして好ましくは最大値の約６５！！ぎであ
る。
第１図は、供給空気１０の一部或いはすべてが空気凝縮
器１１をバイパスすることが所望される時使用しつる都
合の良い配列を例示する。こうしたことが所望される時
点は、プラントが始動中でありそして凝縮器１１内に液
体水準を蓄積することが所望される時である。そうした
状況において、バイパス弁３５が開かれそして空気流れ
１０は部分的に或いは金遣・凝縮器１１をバイパスして
塔１２に入る。凝縮器１１内の液体水準が所望水準に達
した時或いは装置系がその他の点で正常運転に戻る時、
バイパス弁５５が閉じられそしてプロセスの正常運転が
開始或いは再開される。もちろん、バイパス弁３５はプ
ロセスの本格的運転に対して必要ではない。
コンピュータシミュレーション試験 表Ｉにおいて、第１図の具体例に従って行われた本発明
方法のコンピュータシミュレーションの結果が示されて
いる。高圧塔は約７５　ｐｓｉの圧力で運転されそして
低圧塔は約１９ｐｓｉの圧力で運転された。酸素生成物
は９　ｓ、　ＯＸ純度であった。
表工の流れ番号は第１の参照番号に対応する。流量表示
ＭＣＦＨは標準状態（１４，６９６ｐｓｉａ　及び７０
６Ｆ）でのｆｔＳ／時間を表す。温度はケルビン度で報
告されている。
表工 １　　　１９２９　　　　８４．１　　　２９６２　　
　４２２　　　　２五４２９４ ３　　　１５０７　　　　１４．４　　　２９４６　　
　１４９　　　　８４．０　　　１７７７　　　　７　
　　　　Ｂ４．０　　　１７７８　　　　１８　　　　
８４．０　　　１０ｊ２０　　　１７６９　　　　７５
　　　９７、Ｂ２９　　　４２２　　　　２０．６　　
　９３．６３３　　　４２２　　　　２７：５　　　９
５．６表■に報告されたシミュレーションにおいて、得
られた静圧ヘッドは２４４ｆｔ　　であった。低圧塔か
らの酸素富化液体の密度が７０１ｂ／ｆｔ’　　である
と仮定して、入手しうる最大圧力増加は約１３ｐｓｉで
あった。しかし、空気凝縮器における比較的俄い供給空
気圧力の故に得られ′る圧力増のうちの約４９ｐｓｉだ
けが使用された。空気凝縮器における熱交換は凝縮器を
通る供給空気の約３０％の液化をもたらした。
発明の効果 本発明方法の使用によって、酸素ガスを圧縮する必要性
なくまた低圧塔からの酸素液をポンプ加圧する必要なく
、低圧塔の圧力を越えて生成物曖素の圧力を効率的に増
大することが可能となる。
第１図は本発明方法を具現するプロセス系統図である。
１　：　供給空気 ２　：　生成物酸素 ３　：　生成物窒素 ５　：　熱交換器 １０：　供給空気主部分 １１：　凝縮器 １２：　高圧塔 １５：　熱交換器 １８：　低圧塔 ２４：　主凝縮器

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １）高圧塔からの蒸気が低圧塔からの液体を加温して冷
    却される帯域において熱交換関係にある高圧塔及び低圧
    塔における向流液体蒸気接触による供給空気の分離方法
    において、 （Ａ）前記熱交換関係の帯域から液体を抜出す段階と、 （Ｂ）該抜出した液体を、高圧塔の圧力と実質上同じ圧
    力にある供給空気の主部分と、前記熱交換関係帯域より
    低い水準においての間接熱交換により気化して供給空気
    を部分凝縮する段階と、 （Ｃ）前記供給空気の部分凝縮主部分の蒸気部分の少く
    とも一部を前記高圧塔に導入する段階と、（Ｄ）段階（
    Ｂ）で形成された蒸気の少くとも一部を低圧塔の圧力を
    越える圧力において回収する段階と を包含する空気分離方法。 ２）部分凝縮供給空気が高圧塔内に導入される特許請求
    の範囲第１項記載の方法。 ３）供給空気の約５〜２０％を占める供給空気の一部が
    膨脹されそして後低圧塔に導入される特許請求の範囲第
    １項記載の方法。 ４）供給空気の主部分が供給空気の少くとも７５％を構
    成する特許請求の範囲第１項記載の方法。 ５）供給空気の主部分が供給空気の約８５〜１００％を
    構成する特許請求の範囲第１項記載の方法。 ６）高圧塔が４０〜１５０ｐｓｉａの範囲内の圧力にお
    いて運転される特許請求の範囲第１項記載の方法。 ７）低圧塔が大気圧〜３０ｐｓｉａの範囲内の圧力にお
    いて運転される特許請求の範囲第１項記載の方法。 ８）段階（Ａ）において熱交換関係の帯域から抜出され
    た液体が６０〜９９モル％の酸素濃度を有する特許請求
    の範囲第１項記載の方法。 ９）供給空気の主部分の約２０〜３５％が段階（Ｂ）に
    おいて凝縮される特許請求の範囲第１項記載の方法。 １０）段階（Ｄ）において回収された蒸気が更に高い圧
    力まで圧縮される特許請求の範囲第１項記載の方法。 １１）部分凝縮供給空気が蒸気及び液体部分に分離され
    そして蒸気部分の少くとも一部が高圧塔に導入される特
    許請求の範囲第１項記載の方法。 １２）部分凝縮供給空気の蒸気及び液体部分への分離が
    部分凝縮供給空気を相分離器に通すことによつて行われ
    る特許請求の範囲第１１項記載の方法。 １３）供給空気の部分凝縮主部分の蒸気部分の全量が高
    圧塔に導入される特許請求の範囲第１項記載の方法。 １４）供給空気の部分凝縮主部分の蒸気部分の一部が膨
    脹されそして低圧塔内に導入される特許請求の範囲第１
    項記載の方法。
JP60146918A 1984-07-06 1985-07-05 昇圧酸素を生成する為の空気分離方法 Granted JPS6162776A (ja)

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