JP5032596B2 - 極低温蒸留により、高いフレキシビリティをもった気体及び液体の形態で、ガスを空気から製造する方法及び装置 - Google Patents

Description

ガスを液体又は気体の形態で空気から製造する従来の方法は、特徴的な方法アーキテクチャを有していた。例えば、
・主成分（Ｏ₂、Ｎ₂、Ａｒ）を、大気圧又はそれよりも僅かに高い圧力で製造していた空気分離装置、
・圧縮機を使用して製品を圧縮する工程、
・前記成分の各々のうちの全て又は一部を必要な場合に液体の形態で製造することを可能にしていた、独立した窒素液化サイクル
が見出されるであろう。

実施される３つの「機能」（分離、圧縮、液化）の各々は、他の２つの運転に影響を及ぼすことなく独立して実行又は停止され得たので、この構成は、使用に関するかなりのフレキシビリティ（souplesse）を与えていた。

それにも拘わらず、この構成は、機能毎に１つの装置を必要とするこの設計の非常に高い費用を踏まえると、競争力の著しい欠如という不利益を被っている。

我々が統合法と呼んでいる空気からガスを製造する最新の方法は、それらが、これら３つの機能を１つの装置に集約させ得るという利点を有している。空気又は場合によっては窒素を膨張させるサイクルを含んだ所謂「ポンプ式」装置は、同一の装置が、空気の成分を、加圧された気体の形態及び液体の形態で製造するのを可能にする。

これらのうち、欧州特許出願公開第0504029号又は仏国出願公開第2688052号に記載されている、製品を加圧下で配送するために多段気化を含んだ方法は、それらが、これら機能を１つの高圧空気圧縮器に集約させることを可能にするので、特に魅力的である。全体のエネルギー効率は従来の方法と同等であり、投資金額は遥かに低い。

対照的に、製造のフレキシビリティは、機能の「スリーインワン」集約によって影響を受け、全体に影響を及ぼすことなく１つの機能を運転又は停止することはより困難となる。

本発明の目的は、従来の方法によって提供されるフレキシビリティを維持しつつ、統合法の複数の経済的利点を集約することが可能となることにある。

本発明は、中圧（une moyenne pression）で動作する少なくとも１つの中圧塔と、低圧で動作する低圧塔とを含んだ複数の塔からなり、これらが互いに熱的に結合しているシステムにおいて、極低温蒸留を使用して少なくとも一種のガスを空気から製造する方法であって、第１及び第２運転モードにおいて、
ａ）圧縮された空気流の全ては、中圧塔の圧力を少なくとも５ｂａｒ上回る高圧まで高められ、主たる圧力として知られたこの高圧において精製され、
ｂ）この主たる圧力は、場合により、要求される製品に応じて変化し得るものであり、
ｃ）少なくとも前記主たる圧力にある前記空気流の第１部分は、熱交換ラインにおいて、その中間の温度まで冷却され、少なくとも第１タービンにおいて膨張し、
ｄ）場合により、空気流の第２部分は、吸気及び送出条件が第１タービンのものと最大で５ｂａｒ及び最大で１５℃だけ異なるか又は圧力及び温度に関して同一である、少なくとも第２タービン（２１Ｂ）において膨張し、
ｅ）場合により、前記第１タービン又は第３タービンによって提供される仕事は、少なくとも部分的に、スーパーチャージャー（surpresseur）に必要とされる仕事のために使用され、
ｆ）第１タービンの吸気圧は、前記中圧よりも遥かに高く、場合によっては前記主たる圧力よりも高く、
ｇ）第１タービンの送出圧は、前記中圧以上であり、好ましくは前記中圧と実質的に等しく、
ｈ）或る／前記スーパーチャージャーは、空気流の少なくとも一部分を、熱交換ラインにおいて極低温（＜−１００℃）まで冷却される主たる空気の圧力以上の高圧へと圧縮し、この与圧された流れを熱交換ラインに戻し、ここで、少なくとも一部が、コールドエンドにおいて液化するようになり、その後、膨張に続いて、複数の塔からなるシステム内へと送られ、
ｉ）複数の塔からなるシステムからの加圧された液体製品は、熱交換ラインにおいて気化され、
第１運転モードにおいて、
ｊ）補助タービンは、主たる熱交換ラインにおいて冷却された空気流の或る気体部分を吸気し、
ｋ）補助タービンの吸気圧は、前記主たる圧力よりも高いか又はそれと実質的に等しく、好ましくは前記主たる圧力よりも少なくとも２絶対バール高いか又はそれと実質的に等しく、
ｌ）補助タービンの送出圧は、大気圧よりも高いか又はそれと実質的に等しく、好ましくは前記低圧と実質的に等しく、
ｍ）補助タービンにおいて膨張した空気流の少なくとも一部は、熱交換ラインにおいて暖められ、
ｎ）空気の成分の一部は、最終製品として、液体の形態で製造され、
第２運転モードにおいて、
ｏ）補助タービンにおいて処理される空気の流量は、第１運転モード中に前記補助タービンにおいて処理される流れと比べて低減され、場合によってはゼロへと低減され、
ｐ）最終製品としての液体の製造は、第１運転モードにおける最終製品としての液体の製造と比べて低減され、場合によってはゼロまで低減される方法を提供する。

任意の他の側面に従うと、
−全てのタービンは、空気スーパーチャージャーによって制動される。
−前記タービンのうちの１つと接続された少なくとも１つのスーパーチャージャーは、周囲温度で吸気を行う。
−全てのスーパーチャージャーのうち、第１タービンに機械的に接続されたスーパーチャージャーのみが、−１００℃を下回る吸気温度を有している。
−第１タービンの吸気温度は、酸素擬似気化温度（la temperature de pseudo vaporisation de l'oxygene）から、最大で１５℃だけ異なる。
−第２モード中、入ってくる主たる空気の流量は低減され、好ましくは、補助タービンに送られる空気の流量の第２モード中における減少と少なくとも等しい流量だけ低減される。
−主たる空気の流量の変化は、圧縮機の可変翼によってもたらされる。
−主たる空気の流量の変化は、補助空気圧縮機の始動及び／又は停止によってもたらされる。
−前記主たる空気圧は、第１モードと第２モードとで異なる。
−空気の第１部分は、第１タービンの上流で、実質的に前記主たる圧力よりも高い圧力で第１タービンに入るように、主たる圧力よりも高い圧力まで与圧される。
−補助タービンの吸気温度は、第１タービンの吸気温度よりも高い。
−補助タービンにおいて膨張した空気は、大気へと排出される。

本発明の他の側面は、複数の空気分離塔からなるシステム用の及びそこから来る流れを冷却及び加熱するためのユニットであって、熱交換ラインと、第１タービンと、補助タービンと、スーパーチャージャーとを備えており、熱交換ラインは、
ｉ）第１精製空気流を受け取るための、スーパーチャージャーに接続された少なくとも１つの流路と、
ｉｉ）スーパーチャージャーの送出側に接続され、第１タービンに接続された少なくとも１つの流路と、
iii）加熱されるようになる少なくとも２つの流体（３５、３７）を受け取るための少なくとも２つの流路と、
ｉｖ）第２精製空気流量を受け取るための、補助タービンの吸気側と接続された少なくとも１つの流路と
を備えており、補助タービンの送出側は、加熱されるべき空気のための少なくとも１つの流路に接続されているユニットを提供する。

このユニットは、運転中に、以下の条件、
ｉ）補助タービンの吸気温度が、第１タービンの吸気温度よりも高いこと、
ｉｉ）補助タービンの吸気温度が、スーパーチャージャーの吸気温度よりも高いこと、
iii）スーパーチャージャーの吸気温度が、第１タービンの吸気温度よりも低いこと、
ｉｖ）スーパーチャージャーの送出温度が、第１タービンの吸気温度よりも高いこと、
ｖ）スーパーチャージャーの送出温度が、補助タービンの送出温度よりも高いこと
のうちの１つが満たされるように構成されていてもよい。

ここで提案されるものは、上で説明したような、単一機械式（de type mono-machines）の方法の製造のフレキシビリティを、
・欧州特許出願公開第0504029号に記載されたものと同様の方法を使用して、ユニットの液体製造を低減する若しくは中止するという選択肢を提示するか、
・又は、仏国出願公開第2688052号に記載されているものと同様の方法を用いて、液体を効率的に製造する選択肢を提示することによって、
・及び、何れか一方を、可逆的に及び何れの場合でも望ましいエネルギー効率で行うという選択肢を提示することによって向上させることである。

この方法は、知られている蒸留システム（互いに熱的に接続された中圧塔および低圧塔、場合によっては、中間圧力（pression intermediaire）塔及び／又は混合塔及び／又はアルゴン混合物塔など）を用い、少なくとも２つの膨張タービンを必要とする。

２つの流量は、それらの圧力が単に圧力低下分だけ異なる場合、実質的に等しい圧力にある。

補助タービンに吸気される空気の流量の気体部分は、第１及び／又は第２タービンにおいて前もって膨張させられ、場合によっては、中圧塔に送られ且つこの中圧塔から抜き出されて、主たる熱交換ラインにおいて暖められた後に補助タービンに送られる。

第１運転モードでは、液体製品の生産物は、全ての最終製品を合わせると、複数の塔（又は、中圧塔のみが空気を供給される場合は、１つの塔）へと送られた空気流の１％又は２％又は５％を構成する。

ここで、本発明の方法で動作し得る空気分離プラントを示す図面を参照しながら、本発明をより詳細に説明する。

図１では、主たる圧縮器からの圧縮された空気流１が、スーパーチャージャー３において、中圧塔の圧力を少なくとも５絶対バール上回る高圧まで与圧され、この高圧は、主たる圧力として知られている。この主たる圧力は、例えば、１０乃至２５絶対バールであり得る。次に、この主たる圧力において、流れ５は、水及び二酸化炭素の点で精製される（図示していない）。与圧され且つ精製された全ての空気流５は、熱交換ライン７へと送られ、ここで、温度Ｔ１まで冷却される。この温度で、流れ５は２つに分けられ、液化するようになり且つ複数の塔からなるシステムへと送られる流れ９と、流れ１１とを形成する。流れ１１は、加圧酸素３３の気化温度と最大で±５℃だけ異なる温度Ｔ１で熱交換ライン７を出て、コールドスーパーチャージャー（surpresseur froid）１３へと送られて、前記中圧よりも遥かに高く、場合によっては主たる圧力よりも高い圧力にある流れ１５を製造する。コールドスーパーチャージャーを出る際にＴ２の温度にある流れ１５は、熱交換ライン７において、Ｔ１よりも高い温度Ｔ３まで冷却される。この温度Ｔ３で、流れ１５は、２つの流れ１７、１９に分けられる。流れ１７は、タービン２１において、加圧酸素３３の擬似気化温度近傍の温度Ｔ３から膨張する。

タービン２１の吸気圧は、スーパーチャージャー１３の送出圧と等しく、それ故に、前記中圧よりも遥かに高く（少なくとも５バール高く）、場合によっては主たる圧力よりも高く、その送出圧は、前記中圧以上であり、好ましくは前記中圧と実質的に等しい。前記中圧以上の圧力、好ましくは前記中圧と実質的に等しい圧力へと膨張した流れは、流れ２５として、複数の塔からなるシステムに送られる。流れ１９は、熱交換ラインにおいて冷却され続け、気体の形態で、複数の塔からなるシステムへと送られる。

コールドスーパーチャージャー１３は、タービン２１によって駆動される。

残りの窒素流量は、熱交換ラインにおいて暖められる。

ポンプ３３において加圧された液体酸素３５の流れは、熱交換ライン７において気化するようになる。

任意に、複数の塔からなるシステムからの液体酸素以外の液体は、加圧され、熱交換ライン７において気化され、その後、加圧製品として使用される。

第１運転モードに従うと、空気部分２５は、主たる圧力にある精製空気５から抜き出され且つ熱交換ライン７において冷却される。−１００℃を下回り且つＴ２よりも高い温度Ｔ４で、この部分２５は、タービン２７に送られ、ここで膨張されられて、温度Ｔ５となり、空気流２９を形成する。この空気流は、熱交換ラインにおいて暖められる。

液体製品は、複数の塔からなるシステムから、最終製品３２として抜き出される。この例では、この装置の唯一の製品が液体酸素であるが、もちろん、他の製品を液体形態で製造することが可能である。

第２運転モードに従うと、補助タービン２７において処理される空気の流量２５は、場合によってはゼロまで低減され、入ってくる主たる空気流１の流量は、補助タービン２７へと送られる空気の流量の減少と少なくとも等しい流量分だけ低減され、液体３７の製造は、場合によってはゼロまで減少する。

２つの運転モード間の流れ１の流量のこの変化は、圧縮機の可変翼によって及び／又は補助空気圧縮機の始動及び／又は停止によってもたらされる。

これら２つの運転モードは、装置のこれら運転モードのみによって構成されていてもよいし、或いは、他の運転モードがあってもよい。

コールドスーパーチャージが主たる圧力を上回る圧力から為されるように、これらは、空気を主たる圧力に高めるホットスーパーチャージ（surpression chaude）とコールドスーパーチャージとの間に、圧縮工程（スーパーチャージャー３Ｂ）を含んでもよい。

好ましくは、タービン２１は、スーパーチャージャー１３によって駆動され、スーパーチャージャー３は、補助タービン２７を駆動する。

Claims (10)

1. 中圧で動作する少なくとも１つの中圧塔と、低圧で動作する低圧塔とを含んだ複数の塔からなり、これらが互いに熱的に結合しているシステムにおいて、極低温蒸留を使用して少なくとも１種のガスを空気から製造する方法であって、第１及び第２運転モードにおいて、
   ａ）圧縮された空気流の全ては、前記中圧塔の圧力を少なくとも５ｂａｒ上回る第１の空気圧まで高められ、前記第１の空気圧において精製され、
   ｂ）前記第１の空気圧は、要求される製品に応じて変化し得るものであり、
   ｃ）少なくとも前記第１の空気圧にある前記空気流の第１部分は、熱交換ライン（７）において、その中間の温度まで冷却され、少なくとも第１タービン（２１）において膨張し、
   ｄ）前記空気流の第２部分は、吸気及び送出条件が前記第１タービンのものと最大で５ｂａｒ及び最大で１５℃だけ異なるか又は圧力及び温度に関して同一である、少なくとも第２タービン（２１Ｂ）において膨張させられ、
   ｅ）前記第１タービンによって提供される仕事は、少なくとも部分的に、スーパーチャージャーに必要とされる仕事のために使用され、
   ｆ）前記第１タービンの吸気圧は前記中圧よりも少なくとも５ｂａｒ高く、
   ｇ）前記第１タービンの送出圧は前記中圧以上であり、
   ｈ）或る／前記スーパーチャージャー（１３）は、前記空気流の少なくとも一部分を、前記熱交換ラインにおいて極低温まで冷却される前記第１の空気圧以上の高圧へと圧縮し、この与圧された流れを前記熱交換ラインに戻し、ここで、少なくとも一部が、コールドエンドにおいて液化するようになり、その後、膨張に続いて、前記複数の塔からなるシステム内へと送られ、
   ｉ）前記複数の塔からなるシステムからの加圧された液体製品（３５）は、前記熱交換ラインにおいて気化され、
   前記第１運転モードにおいて、
   ｊ）補助タービン（２７）は、前記主たる熱交換ラインにおいて冷却された前記空気流の或る気体部分を吸気し、
   ｋ）前記補助タービンの吸気圧は前記第１の空気圧以上であり、
   ｌ）前記補助タービンの送出圧は大気圧以上であり、
   ｍ）前記補助タービンにおいて膨張した前記空気流の少なくとも一部は、前記熱交換ラインにおいて暖められ、
   ｎ）前記空気の成分の一部は、最終製品として、液体の形態で製造され、
   前記第２運転モードにおいて、
   ｏ）前記補助タービンにおいて処理される空気の流量は、前記第１運転モード中に前記補助タービンにおいて処理される流れと比べて低減され、
   ｐ）最終製品としての液体の製造は、前記第１運転モードにおける最終製品としての液体の製造と比べて低減される方法。
2. 請求項１記載の方法であって、全ての前記タービンは、空気スーパーチャージャー（３、１３）によって制動される方法。
3. 請求項１又は２記載の方法であって、前記タービンのうちの１つと接続された少なくとも１つのスーパーチャージャー（３）は、周囲温度で吸気を行う方法。
4. 請求項１乃至３の何れか１項記載の方法であって、全ての前記スーパーチャージャーのうち、前記第１タービン（２１）に機械的に接続されたスーパーチャージャー（１３）のみが、−１００℃を下回る吸気温度を有している方法。
5. 請求項１乃至４の何れか１項記載の方法であって、前記第２モード中、圧縮される空気流の流量は低減され、前記補助タービン（２７）に送られる空気の流量の前記第２モードにおける減少と少なくとも等しい流量だけ低減される方法。
6. 請求項５記載の方法であって、主たる空気の流量（１）の変動は、圧縮機の可変翼によってもたらされる方法。
7. 請求項５又は６記載の方法であって、主たる空気の流量（１）の変動は、補助空気圧縮機の始動及び／又は停止によってもたらされる方法。
8. 請求項１乃至７の何れか１項記載の方法であって、前記第１の空気圧は、前記第１モードと前記第２モードとで異なる方法。
9. 請求項１乃至８の何れか１項記載の方法であって、前記空気の前記第１部分は、前記第１の空気圧よりも高い圧力で前記第１タービンに入るように、前記第１タービン（２１）の上流で前記第１の空気圧よりも高い圧力まで与圧される方法。
10. 請求項１乃至９の何れか１項記載の方法であって、前記補助タービン（２７）の吸気温度は、前記第１タービン（２１）の吸気温度よりも高い方法。

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