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JPH08170876A - 冷却蒸留による酸素の製造方法及び装置 - Google Patents

冷却蒸留による酸素の製造方法及び装置

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Publication number
JPH08170876A
JPH08170876A JP7219304A JP21930495A JPH08170876A JP H08170876 A JPH08170876 A JP H08170876A JP 7219304 A JP7219304 A JP 7219304A JP 21930495 A JP21930495 A JP 21930495A JP H08170876 A JPH08170876 A JP H08170876A
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JP
Japan
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oxygen
column
liquid
pressure column
condenser
Prior art date
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Pending
Application number
JP7219304A
Other languages
English (en)
Inventor
Yves Koeberle
イーブ・コーベルル
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
Publication of JPH08170876A publication Critical patent/JPH08170876A/ja
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

(57)【要約】 【課題】酸素を圧力下で製造する際のエネルギーの消費
を低下させる。 【解決手段】二重蒸留塔(5) での気体混合物から酸素を
製造する装置において、低圧塔の底部からの液体酸素の
蒸発によって主凝縮器(8) で気体混合物が部分的又は全
体的に凝縮され、全ての製造気体状酸素が液相で取出さ
れ、使用圧力に圧縮される。凝縮器は液体が向流循環す
る流動液体熱交換器であることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、空気の蒸留による
酸素の製造、特に、例えば純度が少なくとも９５％の不
純酸素の製造の方法及び装置に関する。
【０００２】本発明は、中圧塔(medium pressure colum
n)及び低圧塔を有する二重塔(double column) 、塔は２
の蒸発器／凝縮器によって熱交換関係にあるものであ
り、二重塔に導入される前に供給空気の部分の凝縮によ
って低圧塔の底部から酸素を蒸発させる主蒸発器、及び
低圧塔の中間レベルから液体の蒸発によって中圧塔の頭
部から窒素を凝縮させる中間蒸発器における空気の蒸留
によって酸素を製造する方法に関する。
【０００３】
【従来の技術】従来技術に記載された方法(US-A-3,113,
854;US-A-3,210,951;JP-A-61-259,077) は、単一蒸発器
を備えた通常の二重塔に比較すると、中圧塔に送られる
空気の圧力を低下させ、従って塔に送られる空気の圧縮
エネルギーを減少させる利点がある。
【０００４】用いられた方法(US-A-3,210,951)は、最初
に供給される空気留分を中間塔の圧力に全体的に凝縮
し、低圧塔の底部から全ての酸素を蒸発させ（製造を含
む）、こうして得られた液体空気を二重塔に送り、ほぼ
露点(dew point) に冷却した第２供給空気部分を中圧塔
に供給することからなる。
【０００５】用いられた他の方法(US-A-3,113,854)は、
全ての供給空気によって低圧塔の底部から全ての酸素を
蒸発させ、これを部分的に凝縮して中圧塔に送ることか
らなる。この方法の上記方法に対する利点は、空気の凝
縮の平均温度(mean temperature)を低下させるので、そ
の酸素圧力が低下し、これによって上記方法に比較して
圧縮エネルギーの利益がある。空気の第一留分の約３７
％の凝縮において、中圧塔の圧力は６５psia（４．５×
１０5 Pa）に低下できる。システムに必要な冷却は窒素
タービンで供給される。
【０００６】他の提案された方法(JP-A-61-259,077)
は、主蒸発器が低圧塔の再沸騰酸素だけを蒸発させ、製
造物が液相で取り出される限度において、上記の両方法
に比較して空気の圧縮エネルギーの利益をもたらす。残
念ながら、全ての供給空気は主蒸発器に送られない。こ
の空気の一部は膨脹バルブを通って中圧塔の底部に送ら
れ、空気は中圧塔の圧力より高い圧力に圧縮されること
が示されている。このような条件下では、主蒸発器に送
られる空気の留分は全ての酸素を蒸発させる場合よりも
少なく凝縮されるが、全ての供給空気が用いられる場合
よりは多く凝縮される。
【０００７】US-A-4,582,518は、同一の原則に基づいた
高純度の窒素及び不純酸素の製造のための低エネルギー
方法を開示して、約４バールで操業する低圧塔の底部で
中圧空気を部分的に凝縮させるが、低圧塔の底部で製造
される不純酸素（２０％Ｎ2）を用いて低圧塔の頭部凝
縮器における低圧下の蒸発によってこの塔の頭部での還
流を増加させている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、既知方法に
対して圧力下で酸素を製造する方法におけるエネルギー
の消費を低下させることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明方法は、中圧塔及
び低圧塔を有する二重塔で酸素及び窒素を含む供給混合
物を冷却蒸留(cryogenic distillation)することによる
酸素の製造方法において、混合物の一部を低圧塔に送
り、供給混合物の少なくとも１の留分を低圧塔の底部か
らの液体酸素の蒸発によって凝縮器中で部分的に凝縮
し、この部分的に凝縮した混合物を二重塔に送り、酸素
を低圧塔から取出すのである。
【００１０】低圧塔を大気圧の近傍で操業することが望
ましい。
【００１１】供給混合物の３０％未満、更に良いのはこ
の混合物の２５％未満を中圧塔に送る前に凝縮すること
が好ましい。
【００１２】中圧塔に向けられる混合物の全てか又は全
ての混合物を凝縮器で部分的に凝縮することは有利であ
る。
【００１３】また、本発明は、中圧塔及び低圧塔を有す
る二重塔、低圧塔の底部で液体酸素による熱交換によっ
て混合物の少なくとも一部を部分的に凝縮するのに適し
た蒸発器／凝縮器に混合物の第１留分を送る手段、低圧
塔の底部から酸素を取出す手段、混合物の該留分の少な
くとも一部を二重塔に送る手段を備えた、酸素及び窒素
を含む供給混合物から冷却蒸留によって酸素を製造する
装置をも目的とするものである。
【００１４】低圧塔は大気圧の近傍で操業することがで
きる。
【００１５】本発明は、また、熱交換通路において凝縮
させる気体と逆方向に蒸発させる液体を循環させる手段
を備えたことを特徴とする、少なくとも部分的に凝縮す
る気体での熱交換によって液体を蒸発させる流動液体熱
交換器(streaming liquid heat exchanger) をも目的と
するものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】本発明の４種の操業例を、図面に
基づいて説明する。図１、図２、図３及び図４は、本発
明による空気の蒸留装置の４種の具体例を図式的に示し
ている。
【００１７】図１では、二重塔5 を用いる方法で、その
中圧塔6 は僅か３．３×１０5 Paであり、低圧塔7 は
１．３×１０5 Paである。
【００１８】処理する空気は空気圧縮器1 によって３．
５×１０5 Paに圧縮する。周囲温度に冷却し、精製した
後、空気を２つの部分 100、101 に分ける。
【００１９】供給空気101 の第１留分（６２％）は、全
て主交換器3 を通過した後に、二重塔5 の主蒸発器を構
成する蒸発器／凝縮器(8) に導入される。この第１蒸発
器／凝縮器は、低圧塔7 の底部に含まれる不純酸素によ
る熱交換によって供給空気の第２部分を部分的に凝縮さ
せる。一般に、第１留分の約１８％が凝縮されるにすぎ
ない。この部分的に凝縮した空気は導管104 を通って蒸
留が行われる中圧塔6の低部に送られる。
【００２０】圧縮空気の第２部分（３８％）は、過給機
102 に、次いで主交換器3 に送られた後、２つの流に分
けられる。圧縮空気の１０％を構成する流は部分的に冷
却され、（ブレーキ204 を備えた）タービン4 に送ら
れ、低圧塔7 の圧力に膨脹させる。
【００２１】圧縮空気の第２流（２８％）は交換器3 で
冷却を行った後、低圧塔7 の底部から取出される液体酸
素による向流熱交換によって塔5 の外の補助蒸発器／凝
縮器115 で全体的に凝縮する。液体酸素は静水頭によっ
て加圧される。
【００２２】それにも拘らず、図示した例で、顧客の要
望によって（破断線で示した）ポンプ126 で加圧でき
る。凝縮空気は、導管116 、117 によってそれぞれ中圧
塔6 及び低圧塔7 に送られる。
【００２３】空気は中圧塔6 で分離して、底部に酸素に
富んだ液体の留分及び頭部に窒素に富んだ気体を生じ
る。富液体は、交換器103 で予備冷却(subcooling)した
後、導管105 を通って低圧塔7 に送られる。この富液体
は、吹込み空気の導入点の水準で注入され、頭部気体は
導管109 を通って取出され、第２蒸発器／凝縮器108 に
送られ、そこで凝縮し、凝縮液体は導管106 を通って中
圧塔5 の上部に部分的に戻って還流となる。凝縮液体の
他の部分は交換器103 で予備冷却した後、低圧塔7 の頭
部で注入されて還流となる。
【００２４】第２蒸発器／凝縮器108 は、窒素に富む頭
部気体を凝縮するのに有効である。蒸発する液体が８０
％の酸素を含むからである。
【００２５】図１に示した本発明の装置では、液相の製
造酸素を取出すことによって中圧塔の圧力は低下し、こ
れは低圧塔7 の底部の蒸発器で中圧塔6 に向けられた空
気の第１の部分をより部分的に凝縮する効果を有し、液
相で製造される酸素は、塔5の外の空気の第２の部分を
全体的に凝縮しながら、使用圧力(utilization pressur
e)で蒸発する。酸素は９５％の最高純度を有する。
【００２６】図１の装置及びUS-A-3,113,854の装置にお
いて、中圧塔に送られる凝縮空気の全量は実質的に同一
であることが分かる。図１においては、凝縮空気の割合
は約３８％（＝２８％＋６２％の１８％）であり、導管
117 を通って低圧塔7 に送られる凝縮空気の量は少ない
からである。
【００２７】図１のシステムは、中圧塔6 の圧力、従っ
て圧縮器1 の出力圧力を更に低下させることができる。
低圧塔の底部で蒸発する液体酸素の量は補助蒸発器115
に向かう液体酸素の取出しによって減少するので、蒸発
器8 における空気の凝縮は減少し、低温で行うことがで
き、従って低圧で行うことができる。従って、圧縮器1
の出力の圧力は、図１の具体例では、補助蒸発器の投資
によって３．５×１０5 Paに低下する。即ち、この圧力
は、US-A-3,113,854の圧縮器の圧力より１．１×１０5
Pa低い。
【００２８】更に、空気は圧縮器1 を低温で出るので、
冷却システムの規模を減少することができる。
【００２９】本発明の方法は、純粋酸素の０．２５及び
０．３０ｋＷ／Ｎｍ3 の間の極めて低い比消費(specifi
c consumption)で酸素を製造することができる。この消
費は酸素の純度と空気分離ユニットの規模との関数であ
る。図１の例では、０．２５ｋＷ／Ｎｍ3 のエネルギー
を与える。
【００３０】蒸発器8 は、EP-A-130,122に開示された一
般のタイプのものが好ましいが、所望によってバッチ蒸
発器に代えることもできる。
【００３１】蒸発器8 は、蒸発させる液体（不純酸素）
と部分的に凝縮させる気体（空気）とが逆方向、いわゆ
る向流で循環する流動液体蒸発器であることが好まし
い。このタイプの蒸発器は、この特定の適用に対しては
EP-A-130,122に示されたような並流蒸発器より好まし
い。熱を交換する２種の流体（空気と酸素）が純粋でな
く、単一温度で蒸発しないからである。向流熱交換器の
使用は、この場合には不可逆性を減少することができ
る。
【００３２】本発明の装置の、図２に示した他の具体例
では、空気の第１部分は、補助塔206 の底部凝縮器にお
いて低圧塔7 の圧力で部分的に凝縮した後、中圧塔6 に
送られる。補助塔206 には低圧塔7 の底部から不純液体
酸素を供給する。
【００３３】この変形例は、既に用いられている二重塔
を変更して本発明を実施することができる。
【００３４】この具体例では、過給空気の第２の部分10
2 は、図１のように独立蒸発器内でなく、ポンプ126 で
送出される液体酸素による熱交換によって主交換器3 で
凝縮される。こうして凝縮した空気は導管116 、117 を
通ってそれぞれ塔6 、7 に送られる。従って、蒸留に向
けられた全ての空気は凝縮器8 で部分的に凝縮される
か、全体的に凝縮される。
【００３５】装置に必要な冷熱は中圧窒素用の膨脹ター
ビン24によって供給され、図１の吸引タービンは省かれ
る。
【００３６】本発明の装置の、図３に示した他の具体例
では、補助塔206 の主蒸発器内で全ての空気が部分的に
凝縮した後、中圧塔6 に送られる。
【００３７】この具体例では、補助塔から取り出される
液体酸素は、酸素の蒸発圧力に再加熱され圧縮された、
中圧塔の頭部からの気体状窒素を凝縮しながら、熱交換
ラインで蒸発する。凝縮で得られる液体窒素は中圧塔の
頭部に戻される。
【００３８】本発明の装置の、図４に示した他の具体例
では、装置の冷熱内容は、サイクル圧縮器102 と組合せ
た、タービン内の供給空気の一部の膨脹で得られ、膨脹
空気は低圧塔内に吹込まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の空気蒸留装置の具体例を図式
的に示す図である。
【図２】図２は、本発明の空気蒸留装置の具体例を図式
的に示す図である。
【図３】図３は、本発明の空気蒸留装置の具体例を図式
的に示す図である。
【図４】図４は、本発明の空気蒸留装置の具体例を図式
的に示す図である。

Claims (27)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 中圧塔(6) 及び低圧塔(7) を有する二重
    塔(5) において酸素及び窒素を含む供給混合物を冷却蒸
    留して酸素を製造する方法であって、混合物の一部を低
    圧塔(7) に送り、低圧塔(7) の底部からの液体酸素の蒸
    発によって供給混合物の少なくとも１の留分を凝縮器
    (8) で部分的に凝縮し、この部分的に凝縮した混合物を
    二重塔(5) に送り、かつ、酸素を低圧塔(7) から取出す
    酸素の製造方法。
  2. 【請求項２】 低圧塔を大気圧の近傍で操業する請求項
    １に記載の方法。
  3. 【請求項３】 凝縮器(8) に送られる混合物の該留分の
    ３０％未満を凝縮させることを特徴とする請求項１又は
    ２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 凝縮器(8) に送られる混合物の該留分の
    ２５％未満を凝縮させることを特徴とする請求項１又は
    ２に記載の方法。
  5. 【請求項５】 二重塔(5) の外の補助蒸発器(115;3) に
    おいて製造酸素を蒸発させることを特徴とする請求項１
    〜４のいずれかに記載の方法。
  6. 【請求項６】 補助蒸発器を交換器(3) と合体させるこ
    とを特徴とする請求項５に記載の方法。
  7. 【請求項７】 製造酸素を液相で取出し、酸素の蒸発に
    より凝縮圧力とする供給混合物の第２留分の全凝縮によ
    って蒸発させる(115;3) ことを特徴とする請求項５又は
    ６に記載の方法。
  8. 【請求項８】 製造酸素を、凝縮圧力とした再循環窒素
    に富む混合物の全凝縮によって蒸発させ、二重塔(5) に
    導入することを特徴とする請求項５又は６に記載の方
    法。
  9. 【請求項９】 中圧塔に向けられる供給混合物の全てを
    凝縮器(8) で部分的に凝縮させる請求項１〜８のいずれ
    かに記載の方法。
  10. 【請求項１０】 全ての供給混合物を凝縮器(8) で部分
    的に凝縮させる請求項８に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 気体生成物を形成する酸素の全てを低
    圧塔の底部から液相で取出し、使用圧力とする請求項１
    〜１０のいずれかに記載の方法。
  12. 【請求項１２】 供給混合物の少なくとも１の留分を部
    分的に凝縮させる凝縮器(8) が、流動液体酸素熱交換器
    である請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
  13. 【請求項１３】 低圧塔の底部からの液体酸素が供給混
    合物とは反対の方向で交換器(8) を循環する請求項１２
    に記載の方法。
  14. 【請求項１４】 酸素生成物の最高純度が９５％である
    請求項１〜１３のいずれかに記載の方法。
  15. 【請求項１５】 中圧塔(6) 及び低圧塔(7) を有する二
    重塔(5) 、低圧塔(7) の底部からの液体酸素による熱交
    換によって供給混合物の少なくとも一部を部分的に凝縮
    するのに適した凝縮器(8) に混合物の第１留分を送る手
    段、低圧塔の底部から酸素を取出す手段、及び混合物の
    該留分の少なくとも一部を二重塔(5)に送る手段を備え
    た、酸素及び窒素を含む供給混合物の冷却蒸留による酸
    素の製造装置。
  16. 【請求項１６】 低圧塔(7) を大気圧の近傍で操業する
    請求項１５に記載の装置。
  17. 【請求項１７】 液相で取出される酸素を蒸発させるの
    に適合した、二重塔の外の補助蒸発器／凝縮器(115;3)
    を備えることを特徴とする請求項１５又は１６に記載の
    装置。
  18. 【請求項１８】 補助蒸発器(115;3) が供給混合物の第
    ２留分又は窒素に富む混合物流を凝縮させるのに適合し
    たものであり、第２留分又は窒素に富む混合物流を酸素
    の蒸発によって凝縮圧力とすることを特徴とする請求項
    １７に記載の装置。
  19. 【請求項１９】 凝縮器(8) が補助塔(206) に位置する
    ことを特徴とする請求項１５〜１８のいずれかに記載の
    装置。
  20. 【請求項２０】 ２段階圧縮器(1) を備えることを特徴
    とする請求項１５〜１９のいずれかに記載の装置。
  21. 【請求項２１】 低圧塔(7) の底部から、気体状生成物
    を構成する、全ての酸素を液相で取出す手段を備える請
    求項１５〜２０のいずれかに記載の装置。
  22. 【請求項２２】 凝縮器(8) が流動液体酸素熱交換器で
    ある請求項１５〜２１のいずれかに記載の装置。
  23. 【請求項２３】 交換器が供給混合物と液体酸素との間
    の熱交換を可能にし、液体を気体に向流的に循環させる
    手段を備えた請求項２２に記載の装置。
  24. 【請求項２４】 蒸発させる液体を熱交換通路で凝縮さ
    せる気体に向流的に循環させる手段を備えたことを特徴
    とする、少なくとも部分的に凝縮する気体との熱交換に
    よって液体を蒸発させる流動液体熱交換器。
  25. 【請求項２５】 液体及び気体が純粋ではない請求項２
    ４に記載の熱交換器。
  26. 【請求項２６】 液体が最高純度９５％の不純酸素であ
    り、気体が空気である請求項２５に記載の熱交換器。
  27. 【請求項２７】 熱交換器が請求項２４、２５又は２６
    のいずれかに定義したものであり、交換器の通路に酸素
    及び空気を供給する手段を備えることを特徴とする、相
    対的に高い圧力で操業する第１蒸留塔(6) 及び相対的に
    低い圧力で操業する第２蒸留塔(7) 、及び第２塔の底部
    からの液体酸素と蒸留する空気の少なくとも一部とを熱
    交換関係におくことができる熱交換器(8) を備えるタイ
    プの蒸留によって空気を分離する装置。
JP7219304A 1994-08-29 1995-08-28 冷却蒸留による酸素の製造方法及び装置 Pending JPH08170876A (ja)

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