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JP2006525486A - 空気分離のための低温蒸留方法およびシステム - Google Patents

空気分離のための低温蒸留方法およびシステム Download PDF

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Abstract

本発明は、空気分離のための低温蒸留方法に関する。本発明によれば、すべての空気は精製される高圧にもたらされ、前記高圧は、少なくとも５バールまで中圧より高い。精製された空気流の一部は、交換ライン（９）の中で冷却され、続いて、２つの画分に分割される。画分のそれぞれはタービン（１７、１９）の中で膨張し、２つのタービンの取り込み圧力は、少なくとも５バールまで中圧より高い。さらに、２つのタービンの少なくとも１つの負荷圧力は、本質的に中圧に等しい。タービンの少なくとも１つの中で膨張下空気の少なくとも一部は、二重塔または三重塔の中圧塔（１００）に運ばれる。続いて、膨張タービンの１つ（１９）に機械的に接続するコールドブースター（２３）は、主要交換ラインの中で冷却された空気を引き取り、取り込み温度より高い温度で空気を放出する。このように圧縮された流体は、主要交換ラインに再導入され、その中で流体（３３、３７）の少なくとも一部が凝縮する。加えて、塔（２００）の１つに由来する少なくとも１つの加圧された（５００）液体（２５）は、気化温度で交換ラインの中で気化する。さらに、コールドブースター（２３）に接続されていないタービン（１７）は、ｉ）機械的に接続されているコールドブースター以外のブースター（５）とそれに続くクーラー、ｉｉ）オイルバルブシステム、ｉｉｉ）電気発生装置（６１）から選ばれるエネルギー散逸デバイスを備える。

Description

本発明は、低温蒸留による空気の分離のための方法および設備に関する。
低温の圧縮ガスとの熱交換により空気分離ユニットの交換ラインの中の加圧液体を気化させることにより圧力下で空気ガスを製造することが知られている。このタイプのユニットは、ＦＲ−Ａ−２６８８０５２、ＥＰ−Ａ−０６４４３８８、ＥＰ−Ａ−１０１４０２０および特許出願ＦＲ０３／０１７２２から公知である。
その公知のデバイスの熱効率は、あまり良好ではない。というのは、低温圧縮に関連する熱流入を消尽させる必要があるからである。
加えて、米国特許第５４７５９９８０号の図７において例示されているような図式の場合には、コールドブースターに結合しているタービン全体が機械のシャフト上に組み込まれているエネルギー散逸システム（オイルブレーキ）に結びついており、（７０ｋＷほどの）低い出力レベルに技術的に限定されている。
しかしながら、このタイプのプロセスは、特にエネルギーが低い値であるときまたは低いコストで入手可能であるとき経済的に有益であることがわかっている。それゆえ、タービン／ブースターアセンブリのシャフト上に組み込まれるオイルブレーキの技術的限界を超えることが可能であることは、潜在的に有益である。
本発明の目的は、方法スキームが、ブースタータービンシャフトに組み込まれるエネルギー散逸システムなしにコールドブースターにより実施されることを可能とし、それゆえ、大きいか小さいかいずれかのサイズの空気分離ユニットについてそれらのスキームを用いることを可能とする代わりのシステムを提案することである。
本発明は、より高い圧力で稼動する塔が中圧と呼ばれる圧力で稼動する二重または三重の空気分離塔、および交換ラインを備える設備において低温蒸留により空気を分離するための方法であって、その方法において、
ａ）すべての空気が中圧より少なくとも５バール高い高圧とされ、この高圧で精製され、
ｂ）該精製された空気流の一部が交換ラインの中で冷却され、次いで、２つの画分に分割され、
ｃ）それぞれの画分がタービン中で膨張され、
ｄ）該２つのタービンの取り込み圧力が中圧より少なくとも５バール高く、
ｅ）該２つのタービンの少なくとも１つの送給圧力が、中圧に実質的に等しく、
ｆ）タービンの少なくとも１つの中で膨張された空気の少なくとも一部が二重または三重塔の中圧塔に送られ、
ｇ）該膨張タービンの１つに機械的に結合したコールドブースターが、交換ライン中で冷却された空気を取り込み、該空気を、取り込み温度を超える温度で送給し、このように圧縮された流体が交換ラインに再導入され、該交換ライン内で該流体の少なくとも一部が凝縮し（または偽凝縮し）、
ｈ）該塔の１つから到来する少なくとも１つの加圧された液体が気化温度で該交換ライン中で気化され（または偽気化し）、
ｉ）該コールドブースターに結合されないタービンが、
Ｉ）該コールドブースター以外の機械的に結合されブースターと後段のクーラー、
ＩＩ）オイルブレーキシステム、および
ＩＩＩ）電気発生装置
の中から選ばれるエネルギー散逸デバイスを備え、
そして任意に、
ｊ）該コールドブースターの取り込み温度が液体気化（または偽気化）温度に近いことを特徴とする方法を提供する。
本発明の他の任意の側面によれば、
−２つのタービンの取り込みおよび送給条件は、圧力および温度の点で同様または同一である。
−タービンに送られる空気は、高圧下にある（図２）。
−タービンに送られる空気は、前記高圧より高い圧力にあり、コールドブースターからおよび／またはエネルギー散逸デバイスを構成するかもしくは散逸デバイスの部分を構成するブースターから到来する（図１および３）、
−タービンに送られるすべての空気は、エネルギー散逸デバイスを構成するかもしくは散逸デバイスの部分を構成するブースターから到来し、コールドブースターの中で昇圧される空気は交換ラインの中で冷却されつづけ、膨張させられ、液化され、二重塔または三重塔の少なくとも１つの塔に送られる（図１）。
−コールドブースターの中で昇圧される空気の一部は、タービンに送られ、残りは、交換ラインの中で冷却されつづけ、膨張させられ、液化させられ、二重塔または三重塔の少なくとも１つの塔に送られる（図３）。
−高圧で、空気の少なくとも一部をコールドブースターの中で昇圧する。
−高圧の空気は少なくとも２つの部分に分割され、１つの部分は、コールドブースターの中で昇圧され、もう１つの部分（残り）は、散逸デバイスを構成するかもしくは散逸デバイスの部分を構成するブースターの中で昇圧される（図１）。
−散逸デバイスを構成するかもしくは散逸デバイスの部分を構成するブースターから到来する空気の少なくとも一部はコールドブースターに送られる（図２）。
−散逸デバイスを構成するかもしくは散逸デバイスの部分を構成するブースターの中で昇圧される空気の少なくとも一部は、タービンに送られる（図１）。
−散逸デバイスを構成するかもしくは散逸デバイスの部分を構成するブースターから到来する空気の少なくとも一部は、交換ラインで気化され、膨張され、液化され、二重または三重塔の塔に送られる少なくとも１種の液体に対して冷却される。
−液体形態の少なくとも１種の最終製品が製造される。
−二重塔または三重塔の塔について意図されるすべてのガス状空気は、空気膨張タービンから到来する。
本発明の別の側面は、低温蒸留により空気を分離するための空気分離設備であって、
ａ）より高圧で稼動する塔が中圧と呼ばれる圧力で稼動する二重または三重空気分離塔、
ｂ）交換ライン、
ｃ）すべての空気を中圧より高い高圧とするための手段、およびこの高圧で空気を精製するための手段、
ｄ）空気の流れを冷却するために交換ラインに精製された空気の流れの一部を送るための手段、およびこの冷却された空気を２つの画分に分割するための手段、
ｅ）２つのタービン、およびそれぞれのタービンに空気の画分を送るための手段、
ｆ）タービンの少なくとも１つの中で膨張される空気の少なくとも一部を二重または三重塔の中圧塔に送るための手段、
ｇ）コールドブースター、好ましくは主要交換ラインの中の中間点で引き出される空気をコールドブースターに送るための手段、およびコールドブースター中で昇圧された空気を引き出し点の上流の中間点で主要交換ラインに送るための手段、
ｈ）塔の１つから到来する少なくとも１種の液体を加圧するための手段、交換ラインに少なくとも１種の加圧された液体を送るための手段、および気化した液体を交換ラインから抽出するための手段、および
ｉ）タービンの１つに結合するコールドブースターを備え、
コールドブースターに結合しないタービンが、
ｉ）コールドブースター以外の機械的に結合したブースター、とそれに続くクーラー、
ｉｉ）オイルブレーキシステム、および
ｉｉｉ）電気発生装置
を備えるエネルギー散逸手段に結合することを特徴とする設備を提供する。
他の任意の側面によれば、設備は、以下を含む。
−コールドブースターからおよび／またはエネルギー散逸デバイスを構成するかもしくは散逸デバイスの部分を構成するブースターからタービンに空気を送るための手段。
−エネルギー散逸デバイスを構成するかもしくは散逸デバイスの部分を構成するブースターに蒸留されるべき空気の少なくとも一部を送るための手段。
好ましくは、２つのブースターは、直列または並列に接続され、タービンは、並列に接続される。
好ましくは、第２のブースターの取り込み温度は、タービンの入り口温度を超える。
第１のタービン／ブースターアセンブリのタービンと並行して稼動し、それ自体のエネルギー散逸システムを備える付加的なタービンが用いられ得る。好ましくは、このシステムは、ブースターとその後に続く温熱部に設置された水冷装置である。
「圧力が近い」という表現は、多くとも５バール、好ましくは多くとも２バールまで圧力が異なることを意味する。「温度が近い」という表現は、多くとも１５℃、好ましくは多くとも１０℃まで温度が異なるということを意味する。
ブースターは、単一段階のコンプレッサーである。
言及されるすべての圧力は絶対圧力である。
「凝縮」という用語は偽凝縮も含む。
「気化」という用語は、偽気化も含む。
本発明は、図４（任意のタービン９）において、２つのタービン８、３２は極めて異なる取り込み圧力を有し、差異は、少なくとも１４バールであり、図５において、圧力差は約１３バールであり、１つのタービンは、純粋な酸素の場合に有害である低圧で送給するという点で、米国特許第４４７９９８０号とは区別される。
本発明は、図を参照してより詳細に説明される。
図１において、大気圧の空気の流れは、主要コンプレッサー（図示せず）の中で約１５バールに圧縮される。次いで空気は、不純物を除去するために精製される前に任意に冷却される（この操作は示されない）。精製された空気は２つの流れに分割される。空気３の一部は、ブースター５に送られ、ブースターでは、１７ないし２０バールの圧力に昇圧され、ついで、空気分離ユニットの主要交換ライン９の温熱末端に送られる前に水冷冷却器７により昇圧された空気が冷却される。昇圧された空気１１は、交換ラインを離れる前に中間温度に冷却され、２つの画分に分割される。１つの画分１３はタービン１７に送られ、他の画分１５は、タービン１９に送られる。２つのタービンは、同一の取り込み温度および圧力ならびに同一の送給温度および圧力を有するが、しかし、もちろんそれらの温度と圧力は、同一であるよりも互いに近接していることも可能である。２つのタービンにより膨張させられた流れは互いに混合され、塔システムに送られる空気流２１を形成し、これは、図２に記載されている。変形として、タービン１９は、低圧塔の圧力で送給する吹き付けタービンでありうる。
空気の残りを構成する１５バールの空気の別の部分２は、約３０バールまで第２のブースター２３の中で圧縮されるタービン１７、１９の取り込み温度を超える中間温度に交換ライン内で冷却され、冷却されつづけるように高温で交換ライン９に再導入される。
したがって、３０バールの空気３７は、交換ラインの中で液化し、液体酸素２５は、交換ラインの中で気化し、液体の気化温度は第２のブースター２３の取り込み温度に近接している。液化した空気は交換ラインを離れ、塔システムに送られる。
排気される窒素流２７は、交換ライン９の中で暖められる。
第１のブースター５は、タービン１７または１９の一方に結合し、第２のブースター２３は、他のタービン１９または１７に結合する。
空気分離ユニットの塔システムは、低圧塔２００に熱的に結合する中圧塔１００により形成される。
中圧塔は、５．５バールの圧力で稼動し、しかし、より高圧でも稼動し得る。
２つのタービン１７、１９から到来するガス空気２１は、中圧塔１００の底部に送られる流れである。
液化された空気３７は、バルブ３９の中で膨張し、２つの部分に分割され、１つの部分は中圧塔１００に送られ、他の部分は低圧塔２００に送られる。
富化液体５１、下方貧化液体５３および上方貧化液体５５は、バルブの中での膨張工程および過冷却ののち、中圧塔１００から低圧塔２００に送られる。
液体酸素５７および液体窒素５９は、二重塔から最終製品として引き出される。
液体酸素は、ポンプ５００により加圧され、加圧された液体２５として交換ライン９に送られる。加圧され得るかされ得ない他の液体は交換ラインの中で気化し得る。
ガス窒素は、任意に、中圧塔から引き出され、また、交換ライン９の中で冷える。
窒素３３は、低圧塔の頂部から引き出され、再還流液体を過冷却するために用いられた後、交換ラインの中で暖められる。
排気窒素２７は、低圧塔の下側から引き出され、再還流液体を過冷却するために用いられた後、交換ラインの中で暖められる。
任意に、低圧塔２００から引き出される流れを処理することにより塔は、アルゴンを製造し得る。
図１の変形として、第１のブースターの中で昇圧される空気のほんの一部は、タービン１７、１９に送られる。空気４１の残りは、交換ラインの出口で液化される。次いで、液体は、バルブ４３の中で膨張させられ、バルブ３９の中で膨張する液体３０と混合される。図の残部は、図１のそれと同一である。
図２において、大気圧の空気流は、主要コンプレッサー１の中で１５バールに圧縮される。次いで空気は、任意に、不純物を除去するために冷却され、精製され、そして冷却される。精製された空気の第１の部分は、水冷冷却器７により冷却される前に約１７バールの圧力まで第１のブースター５の中で昇圧される。
クーラー７から放出されると、空気１１は、液体酸素気化温度に近い交換ライン９の中間温度まで冷却される前に約３０バールまで第２のブースター２３の中で昇圧される。次いで、３０バールの空気は、高温で交換機９に再導入され、交換ラインを通過することにより冷却され、液化される。空気３３は２つに分割され、膨張させられ、２つの塔１００、２００に送られる。
１５バールの空気の第２の部分２は、ブースター２３の取り込み温度未満の温度に交換ラインの中で冷却され、交換ラインから出て行き、２つに分割される。空気のそれぞれの部分は、中圧塔１００に送られる前にタービン１７、１９の中で膨張する。
温熱ブースター５は、タービン１７に結合し、コールドブースター２３は、タービン１９に結合する。
図２において、２つのタービン１７および１９は、温熱ブースターから到来する空気ではなく、高圧の空気を供給される。コールドブースター２３は、温熱ブースター５から到来するすべての空気を昇圧し、次いで、この空気は液化される。それゆえ、タービンの入り口圧力は、図１におけるより低い。図２の残りの部分は図１と同一である。
図３において、温熱ブースター５は省略されている。すべての空気１は、中圧より５〜１０バール高い単一圧力で交換ラインに送られる。この空気は、中間温度で交換ラインから引き出され、すべての空気は、周囲温度未満の温度で、コールドブースター２３の中で１８バールの圧力まで昇圧される。次いで、昇圧された空気は、２つに分割される。塔システム１００、２００の少なくとも１つの塔に送られるように、交換ラインの冷却末端に達して液化され、膨張されるまで、１部分３３は冷却されつづける。
空気の残りは、コールドブースターの取り込み温度未満の中間温度で交換ラインから放出され、２つに分割され、入り口および出口で同一または同様の温度および圧力条件の下で２つのタービン１７、１９に送られる。タービン１７、１９の中で膨張する空気と結合する流れは、中圧塔に送られ、二重塔への唯一のガス空気取り込みを構成する。
コールドブースター２３はタービン１９に結合し、タービン１７は電気発生装置に結合し、電気発生装置は、オイルブレーキと置換され得る。
本発明による空気分離ユニットを示す。 本発明による空気分離ユニットを示す。 本発明による空気分離ユニットを示す。
符号の説明
５，２３…ブースター、７…冷却器、１７，１９…タービン、１００…中圧塔、２００…低圧塔、５００…ポンプ、

Claims (17)

  1. より高い圧力で稼動する塔（１００）が中圧と呼ばれる圧力で稼動する二重または三重の空気分離塔（１００、２００）、および交換ライン（９）を備える設備において低温蒸留により空気を分離するための方法であって、その方法において、
    ａ）すべての空気が中圧より少なくとも５バール高い高圧とされ、この高圧で精製され、
    ｂ）該精製された空気流の一部が交換ラインの中で冷却され、次いで、２つの画分に分割され、
    ｃ）それぞれの画分がタービン（１７、１９）中で膨張され、
    ｄ）該２つのタービンの取り込み圧力が中圧より少なくとも５バール高く、
    ｅ）該２つのタービンの少なくとも１つの送給圧力が、中圧に実質的に等しく、
    ｆ）タービンの少なくとも１つの中で膨張された空気の少なくとも一部が二重または三重塔の中圧塔に送られ、
    ｇ）該膨張タービンの１つに機械的に結合したコールドブースター（２３）が、交換ライン中で冷却された空気を取り込み、該空気を、取り込み温度を超える温度で送給し、このように圧縮された流体が交換ラインに再導入され、該交換ライン内で該流体の少なくとも一部が凝縮し（または偽凝縮し）、
    ｈ）該塔の１つから到来する少なくとも１つの加圧された液体が気化温度で該交換ライン中で気化され（または偽気化し）、
    ｉ）該コールドブースターに結合されないタービン（１７）が、
    Ｉ）該コールドブースター以外の機械的に結合されブースター（５）と後段のクーラー、
    ＩＩ）オイルブレーキシステム、および
    ＩＩＩ）電気発生装置（６１）
    の中から選ばれるエネルギー散逸デバイスを備え、
    そして任意に、
    ｊ）該コールドブースター（２３）の取り込み温度が液体気化（または偽気化）温度に近いことを特徴とする方法。
  2. 前記２つのタービン（１７、１９）の取り込みおよび送給条件が圧力と温度の点で同様または同一である請求項１記載の方法。
  3. 前記タービン（１７、１９）に送られる空気（２）が高圧にある（図２）請求項１または２記載の方法。
  4. 前記タービンに送られる空気（１３、１５）が前記高圧より高い圧力で存在し、前記コールドブースター（２３）および／または前記散逸デバイスを構成するかまたは散逸デバイスの部分を構成するブースター（５）から到来する請求項１または２記載の方法。
  5. 前記タービン（１７、１９）に送られるすべての空気が、散逸デバイスを構成するかまたは散逸デバイスの部分を構成するブースター（５）から到来し、低温ブースター（２３）中で昇圧された空気が該交換ラインの中で冷却されつづけ、膨張され、液化され、該二重塔または三重塔の少なくとも１つの塔（１００、２００）に送られる請求項４記載の方法（図１）。
  6. 前記低温ブースター（２３）中で昇圧された空気の一部（１３、１５）が、前記タービン（１７、１９）に送られ、その残り（３３）が前記交換ライン中で冷却されつづけ、膨張され、液化され、前記二重塔または三重塔の少なくとも１つの塔に送られる（図３）請求項１ないし５のいずれか１項記載の方法。
  7. 前記高圧の空気の少なくとも一部が前記低温ブースター（２３）の中で昇圧される請求項１ないし６のいずれか１項記載の方法。
  8. 前記高圧の空気が少なくとも２つの部分に分割され、１つの部分が低温ブースター（２３）中で昇圧され、もう１つの部分（残部）が前記散逸デバイスを構成するかまたは散逸デバイスの部分を構成するブースター（５）中で昇圧される（図１）請求項１ないし７のいずれか１項記載の方法。
  9. 前記散逸デバイスを構成するかまたは散逸デバイスの部分を構成するブースター（５）から到来する空気の少なくとも一部が前記コールドブースター（２３）に送られる（図２）請求項１ないし８のいずれか１項記載の方法。
  10. 前記散逸デバイスを構成するかまたは散逸デバイスの部分を構成するブースター（５）で昇圧される空気の少なくとも一部が前記タービン（１７、１９）に送られる（図１）請求項１ないし９のいずれか１項記載の方法。
  11. 前記散逸デバイスを構成するかまたは散逸デバイスの部分を構成するブースター（５）から到来する空気の少なくとも一部が前記交換ライン中で気化される少なくとも１種の液体に対して冷却され、膨張され、液化され、前記二重塔または三重塔の塔に送られる請求項１ないし１０のいずれか１項記載の方法。
  12. 液体形態の少なくとも１種の最終製品（５７、５９）が製造される請求項１ないし１１のいずれか１項記載の方法。
  13. 前記二重塔または三重塔の塔のために意図されるすべてのガス状空気（２１）が空気膨張タービンから到来する請求項１ないし１２のいずれか１項記載の方法。
  14. 低温蒸留により空気を分離するための空気分離設備であって、
    ａ）より高圧で稼動する塔（１００）が中圧と呼ばれる圧力で稼動する二重または三重空気分離塔（１００、２００）、
    ｂ）交換ライン（９）、
    ｃ）すべての空気を前記中圧より高い高圧にするための手段およびこの高圧で空気を精製するための手段、
    ｄ）空気の流れを冷却するために精製された空気の流れの一部を前記交換ラインに送るための手段、および冷却された空気を２つの画分に分割するための手段、
    ｅ）２つのタービン（１７、１９）、および空気の画分をそれぞれのタービンに送るための手段、
    ｆ）前記タービンの少なくとも１つの中で膨張された空気の少なくとも一部を前記二重または三重塔の中圧塔に送るための手段、
    ｇ）コールドブースター（２３）、好ましくは主要交換ライン中の中間点で引き出される空気を前記コールドブースターに送るための手段、および前記コールドブースター中で昇圧された空気を前記引き出し点の上流の中間点で主要交換ラインに送るための手段、
    ｈ）前記塔の１つから到来する少なくとも１種の液体を加圧するための手段（５００）、少なくとも１種の加圧された液体を前記交換ラインに送るための手段、および気化した液体を前記交換ラインから抽出するための手段、および
    ｉ）前記タービンの１つ（１９）に結合されたコールドブースター
    を備え、
    前記コールドブースターに結合しないタービン（１７）が、
    Ｉ）コールドブースター以外の機械的に結合したブースター（５）、およびその後段のクーラー、
    ＩＩ）オイルブレーキシステム、および
    ＩＩＩ）電気発生装置（６１）
    を備えるエネルギー散逸手段に結合されることを特徴とする設備。
  15. コールドブースター（２３）から、および／または前記エネルギー散逸手段を構成するかまたはエネルギー散逸手段の部分を構成するブースター（５）からタービンに空気を送るための手段を備える請求項１４記載の設備。
  16. 前記エネルギー散逸手段を構成するかまたは前記エネルギー散逸手段の部分を構成するブースター（５）に、蒸留される空気の少なくとも一部を送るための手段を備える請求項１４または１５記載の設備。
  17. 前記２つのブースター（５、２３）が直列または並列で接続され、タービン（１７、１９）が並列に接続される請求項１４ないし１６のいずれか１項記載の設備。
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