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JP3256250B2 - 可変量のガス状酸素を製造する空気精留方法及び設備 - Google Patents

可変量のガス状酸素を製造する空気精留方法及び設備

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JP3256250B2
JP3256250B2 JP31647391A JP31647391A JP3256250B2 JP 3256250 B2 JP3256250 B2 JP 3256250B2 JP 31647391 A JP31647391 A JP 31647391A JP 31647391 A JP31647391 A JP 31647391A JP 3256250 B2 JP3256250 B2 JP 3256250B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、複式精留塔をもつた設
備によつて、可変量のガス状酸素を製造する空気精留技
術に関する。その技術は、ガス状酸素の需要が平均値以
下であるときは、複式精留塔の低圧塔から液体酸素用の
第１貯槽に液体酸素が流入されて、液体窒素用の第２貯
槽から出た液体窒素が複式精留塔内に送られ、一方ガス
状酸素の需要が平均値以上であるときは、第１貯槽から
取出された液体酸素が低圧精留塔内に導入され、同時に
対応する量の窒素が凝縮され、第２貯槽に送られるとい
う種類の方法にまず関する。
【０００２】
【従来の技術】この種の方法は、一般に“シーソー式”
と呼ばれている。設備は２種類の運転が区別される。 （ａ） ガス状酸素の需要が大きいときは、低圧精留塔
から取出された過剰なガス状酸素は、物質収支の観点か
ら、第１貯槽から出る対応した量の液体酸素を低圧精留
塔内に注入することによつて補われる。複式精留塔の寒
冷収支を平衡させるため、対応する量の液体窒素が中圧
精留塔から第２貯槽に送られる。このため、この運転は
一般に“液体窒素運転”と呼ばれ、この名称は以下にも
用いられる。
【０００３】（ｂ） ガス状酸素の需要が少いときは、
公称運転に比べて不足の酸素は低圧精留塔から第１貯槽
に液状で送られる（しばしば“液体酸素運転”の名が用
いられる）。寒冷収支は、第２貯槽から出た対応する量
の液体窒素を低圧精留塔内に導入することによつて得ら
れる。
【０００４】設備が低圧精留塔と接続された不純アルゴ
ン製造塔を含むときは、シーソーの原理は、アルゴン抽
出収率に影響なしには行かない。 （ａ） 液体窒素運転では、蒸気／液体比が低圧精留塔
の下部で減少するのを確認することは容易であり、これ
はこの部分で起こる酸素／アルゴン分離、したがつてア
ルゴン抽出収率には不利である。
【０００５】反対方向に作用する他の現象ももちろん存
在する。窒素の蒸発熱は酸素の蒸発熱より約２０％少い
ので、液体酸素の補足的気化は、中圧精留塔の頂部でよ
り大量の窒素を凝縮する。したがつて設備の熱交換系の
冷端部に送られるガス状製品に不足が生じ、これは熱交
換線図を温端部に向って再び閉じ、設備の寒冷を保持す
るのに一般に用いられるタービンの吸入温度を上昇する
効果を生じる。そのときこのタービンは、特に大きな寒
冷出力を提供し、このことはタービンに流される流量を
減少することができる。しかし、この好ましい現象は、
蒸気／液体比の減少という前記した好ましくない現象よ
りは明らかに重要性は小さい。結局のところ液体窒素運
転は、アルゴン抽出収率にとつて好ましくない。
【０００６】（ｂ） 液体酸素運転では、同じような理
由で反対のことが生じる。一方では蒸気／液体比は低圧
塔の底部で上昇し、他方ではタービンの吸入温度が低下
する。このことはタービンに送られるガス流量を増加さ
せねばならない。結局のところこの液体酸素運転は、ア
ルゴン抽出収率にとつては好ましい。
【０００７】（ｃ） 残念なことに、液体酸素運転によ
つて得られるアルゴン抽出収率の利得は、公称運転に対
応する収率が一般に高く、すでに漸近線に近いので、液
体窒素運転で受けるアルゴン抽出収率の損失よりも小さ
い。これが仮説の基礎であるとして、公称運転が設備の
平均酸素製造に相当するならば、そのときシーソー式方
法はアルゴン抽出の平均収率を悪くするという結果を生
じる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、シーソー法
においてアルゴンの平均収率を改良し、及び／又は変形
として設備の液体製造を増加できる方法を目的としてい
る。本発明はまた、そのような方法を実施するための空
気精留設備も目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】このため本発明は前記し
た種類の方法において、酸素の需要が平均値以下である
ときは、設備の熱交換系内にガス状態の圧縮酸素を導入
することによつて付加的液体酸素を製造し、複式精留塔
内に注入された液体窒素流量が対応したやり方で減少さ
れることを特徴としている。
【００１０】他の特徴によれば、−ガス状酸素の需要が
平均値以上であるときは、酸素需要が平均値以下である
ときに節約された液体窒素を複式精留塔に送り、−設備
が寒冷を保持する主タービンを有するときは、ガス状酸
素の需要が平均値以上（又は以下）である間、公称流量
に比べて主タービンの流量を減少（又は増加）する。
【００１１】また本発明の設備は、熱交換系、低圧精留
塔と接続された液体酸素用の第１貯槽と複式精留塔と接
続された補助液体用の第２貯槽を含むシーソー及び高圧
のガス状酸素を取出す使用管路を有する種類の設備にお
いて、使用管路で採取された可変量の高圧ガス状酸素を
熱交換系内に再送する管路を有し、該再送管路が前記第
１貯槽に接続されていることを特徴としている。本発明
による空気精留設備の一例を略図的に示す添付図面を参
照しながら、本発明の一実施態様を以下に説明しよう。
【００１２】
【実施例】図面に示された空気精留設備は、高圧（例え
ば約１５バールまで達することができる）の可変量のガ
ス状酸素及びアルゴンを供給するためのものである。設
備は尖塔つき複式精留塔及び不純アルゴン製造塔、空気
膨張並びに酸素／窒素のシーソーを有する種類の設備で
ある。
【００１３】したがつて設備は、尖塔３をその頂部に備
えた低圧精留塔２を上にのせた中圧精留塔１、不純アル
ゴン製造塔４、液体酸素を貯蔵する第１貯槽５、液体窒
素を貯蔵する第２貯槽６、熱交換系７及び中圧空気を低
圧に膨張するタービン８を有している。典型的には、中
圧は約６バール（絶対圧）、低圧は大気圧よりわずかに
上である。中圧精留塔１の頂部蒸気（窒素）は、主蒸発
凝縮器９によつて低圧精留塔２の液溜め部の液体（酸
素）と間接熱交換関係にある。
【００１４】まず、設備の公称運転でのガス状酸素の製
造について述べる。水及び二酸化炭素を除去精製され、
約６バール（絶対圧）に圧縮され、熱交換系７において
露点付近まで冷却された分離すべき空気は、管路１０に
よつて中圧精留塔１の底部に入る。ほとんど純窒素で構
成される高プアー液体は、管路１１によつて中圧精留塔
１の頂部から取り出され、図示されない過冷却器におい
て過冷却され、膨張弁１２で膨張されて、低圧精留塔２
の尖塔３の頂部に還流として送られる。
【００１５】管路１３によつて中圧精留塔１の中間レベ
ルで取り出された低ブアー液体は、前記過冷却器におい
て過冷却され、膨張弁１４で膨張されて、尖塔３の基部
に相当するレベルで低圧精留塔２内に還流として送られ
る。
【００１６】酸素富化空気で構成され、管路１５によつ
て中圧精留塔１の液溜め部から取り出されたリッチ液体
は、前記過冷却器において過冷却される。膨張弁１６で
膨張されたこの液体の一部は、低圧精留塔２内に還流と
して送られ、残部は膨張弁１７で膨張され、次いでそこ
で気化されるためにアルゴン製造塔４の頂部蒸発器１８
に送られて、管路１９を経て低圧精留塔２内へ戻され
る。
【００１７】製造されたガス状酸素は、管路２０を経て
低圧精留塔２の底部で取り出され、熱交換系７の冷端部
から温端部までで加熱され、必要な高圧酸素を排出する
使用管路２０Ａ内に送り込む圧縮機２１によつて高圧に
圧縮される。この圧縮機は、圧縮機の限られた融通性に
もかかわらず高圧ガス状酸素を非常にいろいろな流量で
排出できるように、膨張弁２３を備えた出口側から吸入
側への循環管路２２を有している。
【００１８】アルゴン製造塔４は、アルゴン抜き取り口
と呼ばれる管路２４によつて低圧精留塔２の中間レベル
で採取された蒸気を、その底部に供給される。液溜め部
の液体は管路２５を経てほぼ同じレベルの低圧精留塔２
内に戻る。製造された不純アルゴンは、管路２５Ａを経
てアルゴン製造塔４の頂部から取り出される。
【００１９】低圧精留塔２の低プアー液体の注入レベル
から離れた残ガスＷ（不純窒素）の排出管路２６及び尖
塔３の頂部から離れた低圧純窒素の排出管路２７が図１
に同様に示され、管路２６及び２７は確実に冷却するた
めに前記過冷却器を通過し、次いで冷端部から温端部へ
熱交換系７を横切る。
【００２０】設備の寒冷の維持は、部分的に冷却された
流入空気の一部を膨張タービン８で低圧に膨張し、この
膨張された空気を管路２８を経て低圧精留塔２内へ吹き
込むことにより保証される。
【００２１】次に、被処理空気の流量は一定のままで、
高圧ガス状酸素の需要が公称値又は平均値から離れたこ
とを想定しながら、貯槽５及び６を参加させるシーソー
系について述べる。 （ａ） ガス状酸素の需要が少いとき（液体酸素運転）
は、公称運転に比べて低圧精留塔２から取り出される不
足のガス状酸素は、低圧精留塔２の液溜め部からほとん
ど大気圧下にある貯槽５内まで、ポンプ２９及び管路３
０によつて液状で送られる。
【００２２】複式精留塔内にもたらされる寒冷損失を補
償するため、液体窒素が、ほぼ大気圧下にある貯槽６か
ら尖塔３の頂部までポンプ３１及び管路３２によつて、
貯槽５に送られた液体酸素量より約２０％多い量だけ送
られる。この窒素は、尖塔３の頂部ではガス状となり、
その結果過剰なガス状製品は、公称運転と比べて熱交換
系７の冷端部に総括的に送られる。
【００２３】この過剰な冷却製品は、補足的な液体を製
造するために次のように用いられる。需要に比べて過剰
なガス状酸素は、管路２０を経て低圧精留塔２から取り
出され、低圧精留塔２の物質収支を平衡させるために、
貯槽５に送られた液体酸素の流量と同量だけ減らされ
る。圧縮後に同量の過剰ガス状酸素は、圧縮機２１の吸
入側から離れた管路３３を経て熱交換系の温端部に戻さ
れ、熱交換系内で液化されて、その冷端部から膨張弁３
４Ａを備えた管路３４を経て貯槽５に送られる。
【００２４】全体として貯槽５は、従来のシーソーと同
量の液体酸素を受け入れるが、低圧精留塔２の液溜め部
からの取り出し量は少い。したがつて貯槽６の対応する
量の液体窒素が、液体酸素運転の間に節約される。
【００２５】さらに補足的な加熱されたガス（高圧酸
素）の熱交換系内への注入は、膨張タービン８の吸入温
度を、例えば公称運転での対応温度まで引き上げ、した
がつて固有の寒冷出力を増加する効果がある。このこと
は、同時に膨張タービンに送られる空気流量を増加する
ことによつて液体の製造を一層顕著に増大することがで
き、この運転でのアルゴン抽出収率は漸近線の付近にあ
り、その結果このタービンに送られる流量にはあまり敏
感である。
【００２６】（ｂ） ガス状酸素の需要が多いとき（液
体窒素運転）は、圧縮機２１は管路２２を経る循環なし
に作動し、圧縮された酸素の全量が使用側に供給され
る。公称運転と比べて低圧精留塔２から取り出される過
剰なガス状酸素は、貯槽５から低圧精留塔２の液溜め部
内に、管路３５、ポンプ２９及び管路３６を経て液体酸
素を注入することによつて補償される。寒冷収支は、中
圧精留塔１の頂部から貯槽６へ、管路１１及び膨張弁３
８を備えた管路３７を経た液体窒素の送給によつて平衡
化される。
【００２７】しかしながらこの運転では、管路３２を経
て尖塔３の頂部に対応する量の液体窒素を送給すること
によつて、高圧酸素の液化による液体酸素運転でつくら
れた液体窒素の保存が利用される。この補足的寒冷の貢
献は、膨張タービンに送られる空気流量をそれだけ減少
することができ、低圧精留塔２の補足的還流をより多く
つくる。これは低圧精留に好適な二つの要因を構成す
る。全体としてアルゴン抽出収率は液体窒素運転で増加
する。
【００２８】したがつて液体窒素運転で得られるアルゴ
ン抽出収率の利得は、液体酸素運転において受けるアル
ゴン抽出収率の損失を明らかに上回る。結局、アルゴン
抽出平均収率は顕著に増加する。
【００２９】本発明によつて得られるエネルギー利得
が、アルゴン抽出収率を増加するばかりでなく、設備の
液化（液体酸素又は液体窒素）を増加するのに利用でき
ることは注目すべきである。
【００３０】本発明は、低圧への空気膨張により寒冷を
維持される設備ばかりでなく複式精留塔をもつた空気精
留のすべての他の種類の設備にも適用されることが理解
される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による空気精留設備のフローシート。
【符号の説明】
１ 中圧精留塔 ２ 低圧精留塔 ３ 尖塔 ４ アルゴン製造塔 ５ 液体酸素用第１貯槽 ６ 液体窒素用第２貯槽 ７ 熱交換系 ８ 膨張タービン ９ 主蒸発凝縮器 １２，１４，１６，１７，２３，３４Ａ，３８ 膨張
弁 １８ アルゴン製造塔４の凝縮器 ２１ 圧縮機 ２９，３１ ポンプ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F25J 3/04

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ガス状酸素の需要が平均値以下であると
    きは、複式精留塔の低圧精留塔から液体酸素を貯蔵する
    第１貯槽に液体酸素が流されて、液体窒素を貯蔵する第
    ２貯槽から出る液体窒素が複式精留塔内に送られ、一方
    ガス状酸素の需要が平均値以上であるときは、第１貯槽
    で採取された液体酸素が低圧精留塔内に導入され、同時
    に、対応する量の凝縮窒素が第２貯槽に送られるタイプ
    の複式精留塔を備えた設備によって、可変量のガス状酸
    素を製造する空気精留方法において、複式精留塔におい
    て分離される空気は熱交換系において冷却され、酸素の
    需要が平均値以下であるときは、該熱交換系内にガス状
    態の圧縮酸素を導入して凝縮することによって不加的液
    体酸素を製造し、複式精留塔内に注入された液体窒素流
    量がこれと対応するように減少されることを特徴とする
    方法。
  2. 【請求項２】 ガス状酸素の需要が平均値以上であると
    きは、酸素の需要が平均値以下であるときに節約される
    液体窒素が複式精留塔内に送られることを特徴とする請
    求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 ガス状酸素の需要が平均値以上であると
    きは、公称流量と比べて主膨張タービンの流量が減らさ
    れることを特徴とする、寒冷維持用主膨張タービンを有
    する設備についての請求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】 ガス状酸素の需要が平均値以下であると
    きは、公称流量と比べて主膨張タービンの流量が増加さ
    れることを特徴とする、寒冷維持用主膨張タービンを有
    する設備についての請求項１ないし３のいずれか１項に
    記載の方法。
  5. 【請求項５】 複式精留塔で分離される空気を冷却する
    ための熱交換系、低圧精留塔と接続された液体酸素貯蔵
    用第１貯槽と複式精留塔に接続された補助液体用第２貯
    槽とを含むシーソー、及び高圧のガス状酸素を排出する
    使用管路を有する種類の可変量のガス状酸素を製造する
    ための複式精留塔を備えた空気精留設備において、使用
    管路で採取された可変量の高圧ガス状酸素を該熱交換系
    内に再送する管路を有し、前記再送管路が前記第１貯槽
    に接続されていることを特徴とする設備。
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