(57)【要約】  この明細書は空気分離装置における装置および機器の設計、レイアウト、および構築に関連した問題を議論している。この明細書の発明は複数の別個のサブクーラー（１２、１４）を用いた方法および装置を提供する。深冷蒸留カラムを出た窒素流（１０）はサブクーラー内で流（２０，２２，２４，２６）を冷却する。少なくとも２つのサブクーラーを持つことによって、窒素排気口（窒素の廃棄流または生成物流）のサイズを減じることができる。これにより構築コストを節約し、配管および機器の熱応力を減じることによって信頼性を向上する。サブクーラーは主熱交換器（８）または分離カラムのシステムから生じたリッチ液体、リーン液体、液体酸素、および／または液体空気流を冷却する。本明細書はサブクーラーと主熱交換器の一体化についても議論している。【選択図】      図１
2009516149.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの別個のサブクーラーを用いた深冷蒸留によって空気を分離する方法であって、
ａ）空気流を圧縮する工程と、
ｂ）主熱交換器（８，４２，４４）内で前記空気流を冷却する工程と、
ｃ）前記空気流を分離カラムのシステムに供給する工程と、
ｄ）前記分離カラムのシステム内で前記空気流から少なくとも１つの窒素流を分離する工程と、
ｅ）分離カラムのシステムから第１のサブクーラー窒素流（１６）および第２のサブクーラー窒素流（１８）を取り出す工程と、
ｆ）前記第１のサブクーラー窒素流を第１のサブクーラー（１２）を通過させる工程と、
ｇ）前記第２のサブクーラー窒素流を第２のサブクーラー（１４）を通過させる工程と、
ｈ）前記第１のサブクーラー窒素流が前記第１のサブクーラーを通過した後に、前記第１のサブクーラー窒素流を前記主熱交換器に送る工程と、
ｉ）前記第２のサブクーラー窒素流が前記第２のサブクーラーを通過した後に、前記第２のサブクーラー窒素流を前記主熱交換器に送る工程と、
ｊ）前記第１のサブクーラー内で少なくとも第１のプロセス流（２０、２２）を冷却する工程と、
ｋ）前記第２のサブクーラー内で少なくとも第２のプロセス流（２４、２６）を冷却する工程と
を含む方法。
【請求項２】
請求項１の方法であって、前記主熱交換器は低圧主熱交換器（４２）と高圧熱交換器（４４）とを含む方法。
【請求項３】
請求項２の方法であって、前記第１のサブクーラー窒素流（２８）が前記低圧サブクーラー（１２）を通過した後に前記第１のサブクーラー窒素流を前記低圧主熱交換器（４２）に供給する方法。
【請求項４】
請求項２または３の方法であって、前記第１のサブクーラーを前記低圧主熱交換器と一体化する方法。
【請求項５】
請求項２、３または４の方法であって、前記第２のサブクーラー窒素流（３０）が前記高圧サブクーラー（１４）を通過した後に前記第２のサブクーラー窒素流を前記高圧主熱交換器（４４）に供給する方法。
【請求項６】
請求項２、３、４または５の方法であって、前記第２のサブクーラーを前記高圧主熱交換器と一体化する方法。
【請求項７】
先行する任意の請求項の方法であって、前記窒素流はダブルもしくはトリプル空気分離カラムの低圧分離カラム、またはトリプルカラムの中圧カラムから生じる方法。
【請求項８】
先行する任意の請求項の方法であって、前記第１のサブクーラー窒素流（１６）および前記第２のサブクーラー窒素流（１８）の流量を制御システムによって制御する方法。
【請求項９】
請求項８の方法であって、前記制御システムは第１の制御弁と第２の制御弁とを含む方法。
【請求項１０】
先行する任意の請求項の方法であって、前記第１のプロセス流（２０、２２）はリッチ液体流、液体空気流、リーン液体流、液体酸素流、およびそれらの組み合わせからなる流の群より選択される方法。
【請求項１１】
先行する任意の請求項の方法であって、前記第２のプロセス流（２４、２６）はリッチ液体流、液体空気流、リーン液体流、液体酸素流、およびそれらの組み合わせからなる流の群より選択される方法。
【請求項１２】
先行する任意の請求項の方法であって、分離カラムのシステムから窒素流を取り出し、窒素流を分割して第１および第２のサブクーラー窒素流を形成することを含む方法。
【請求項１３】
少なくとも２つの別個のサブクーラーを用いた深冷蒸留によって空気を分離する装置であって、
ａ）分離カラムのシステム（ＡＳＵ）と、
ｂ）第１のサブクーラー（１２）と、
ｃ）第２のサブクーラー（１４）と、
ｄ）主熱交換器（８，４２，４４）と、
ｅ）窒素を前記分離カラムのシステムから前記第１のサブクーラーに送るための導管（１０、１６）と、
ｆ）窒素を前記分離カラムのシステムから前記第２のサブクーラーに送るための導管（１０、１８）と、
ｇ）窒素を前記第１のサブクーラーから主熱交換器に送るための導管（２８）と、
ｈ）窒素を前記第２のサブクーラーから主熱交換器に送るための導管（３０）と、
ｉ）第１の温流（２０、２２）を前記第１のサブクーラーに送るための導管と（ここで前記第１の温流は前記第１のサブクーラー内で冷却される）、
ｊ）第２の温流（２４、２６）を前記第２のサブクーラーに送るための導管と（ここで前記第２の温流は前記高圧サブクーラー内で冷却される）、
ｋ）第１の冷却流を前記低圧サブクーラーから前記分離カラムのシステムに送るための導管と、
ｌ）第２の冷却流を前記高圧サブクーラーから前記分離カラムのシステムに送るための導管と
を含む装置。
【請求項１４】
請求項１３の装置であって、さらに制御システムを含み、前記制御システムは前記第１のサブクーラーおよび第２のサブクーラーへの窒素流流量を制御する装置。
【請求項１５】
請求項１３または１４の装置であって、前記主熱交換器は低圧主熱交換器（４２）と高圧主熱交換器（４４）とを含む装置。
【請求項１６】
請求項１５の装置であって、窒素（２８）を前記第１のサブクーラー（１２）から前記主熱交換器に送るための前記導管は、窒素を前記第１のサブクーラーから前記高圧主熱交換器（４２）に送る装置。
【請求項１７】
請求項１５または１６の装置であって、窒素（３０）を前記第２のサブクーラー（１４）から前記主熱交換器に送るための前記導管は、窒素を前記第２のサブクーラーから前記高圧主熱交換器（４４）に送る装置。
【請求項１８】
請求項１５、１６または１７の装置であって、前記第１のサブクーラー（１２）は前記低圧主熱交換器（４２）と一体化されている装置。
【請求項１９】
請求項１４、１５、１６または１７の装置であって、前記第２のサブクーラー（１４）は前記高圧主熱交換器（４４）と一体化されている装置。
【請求項２０】
請求項１４ないし１９のうちの任意の装置であって、カラムシステムのカラムからの窒素流を分割し、第１および第２のサブクーラー流を形成する手段を含む装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の開示】
【０００１】
背景技術
本発明は深冷蒸留による空気の分離に適用される。長年にわたって、製造方法の改良ならびに操作および機器のコスト低減にかなりの努力が捧げられてきた。空気分離装置のコストを削減する１つの方法は機器および配管システムのサイズおよび複雑さを減らすことである。
【０００２】
空気はしばしばダブルカラム内の深冷蒸留によって分離される。深冷蒸留は空気を圧縮し、冷却し、精製して高圧カラムに供給する工程を含み、ここで空気をカラムの上部で第１の窒素富化流とカラムの底部で第１の酸素富化流に分離する。第１の酸素富化流の少なくとも一部を低圧カラムに供給し、上部で第２窒素富化流を生じさせ、底部で第２の酸素富化流を生じさせる。第２の酸素富化流を低圧カラムの底部で分離し、第２の窒素富化流を上部で分離する。
【０００３】
空気をトリプルカラム内の深冷蒸留によって分離することもある。深冷蒸留は空気を圧縮し、冷却し、精製して高圧カラムに供給する工程を含み、ここで空気をカラムの上部で第１の窒素富化流とカラムの底部で第１の酸素富化流に分離する。第１の酸素富化流の少なくとも一部を中圧カラムに供給し、上部で第２の窒素富化流を生じさせ、底部で第２の酸素富化流を生じさせる。第２の窒素富化流の少なくとも一部を低圧カラムまたはアルゴンカラムのトップコンデンサに送り、第２の酸素富化流の少なくとも一部を低圧カラムに送る。第３の酸素富化流を低圧カラムの底部で分離し、第３の窒素富化流を上部で分離する。典型的に、蒸留カラムは互いの頂部に重なっている。
【０００４】
低圧カラム（またはトリプルカラムの場合には低圧カラムおよび中圧カラム）から来る非常に冷たい窒素を次に分離システムから生成物または廃ガスとして取り出す。分離を補助しエネルギーコストを削減するために冷たい窒素流をサブクーラーを通過させて蒸留カラム液体を冷却する一方で、窒素を主熱交換器に送る前に加熱する。主熱交換器内において、流入空気を深冷分離システムに導入する前に、流出生成物および廃流によって冷却する。主熱交換器を２つの装置に分割してもよく、そこで一方の装置はより高い圧力のガスを含み、他方はより低い圧力のガスを含むことは当業者に知られている。
【０００５】
本発明に関する先行技術として認められていない米国特許番号第６，２０２，４４１、６，２７６，１７０、６，３１４，７５７および６，３４７，５３４はさらに、当業者に既知の深冷分離方法を記述し、空気の深冷分離に関する情報を開示している。しかしながら、これらの参照文献は以下で議論する１つ以上の欠点がある。
【０００６】
現代の空気分離装置の生産容量は上がり続けており、したがって装置は物理的に大きくなっている。より大きな機器および配管はレイアウト、機器、および配管の設計の問題をもたらす。たとえば現代の５，０００ｔｏｎ／ｄａｙの装置は低圧カラムの上部から出て、サブクーラーに供給する７２インチのラインを持つ。窒素がサブクーラー内で温められると、膨張してより大きな９４インチのラインを要し、サブクーラーを出て行く。これらのより大きなラインは非常に大きな深冷囲いをもたらし、設計者には著しい熱応力の問題を提起する。さらに、現代のサブクーラーは典型的に非常に小型の設計のロウ付けフィン交換器である。したがって、設計者は１つの小さな小型の交換器に入って出て行く大きなラインを配管するという重大な問題に直面する。さらに、交換器の建造者はロウ付けフィン交換器の上に窒素流の受容および放出を容易にするより大きなヘッダーを搭載しなければならない。これらの設計問題はより大きな機器部分における熱応力、より高い機器のコスト、およびより大きなプラント設置面積の問題をもたらす。
【０００７】
したがって、方法設計および深冷分離カラムを出た窒素を複数のサブクーラーに供給する複数の流に分割できるようにする装置構成を提供することが本発明の目的である。異なる分離流を冷却する複数のサブクーラーを提供することによって窒素フローが分割され、ラインのサイズは劇的に小さくなる。対応して、サブクーラーの領域内の大きな配管およびヘッダーに関連する設計上の問題および増大するコストが軽減される。
【０００８】
サブクーラーを対応する主熱交換器と一体化することによって配管を単純化し、機器のコストを削減することが本発明のさらなる目的である。二者を一体化することによって、サブクーラーと主熱交換器との間の配管を除いてもよい。
【０００９】
概要
本発明は空気分離装置に関連した配管および機器のサイズを減じる必要性を満足する深冷蒸留によって空気を分離するための方法および装置に向けられる。本発明によれば、分離カラムのシステムを出た窒素流は２つ以上の流に分割され、各々の流は別個のサブクーラーに送られる。
【００１０】
本発明によれば、少なくとも２つの別個のサブクーラーを用いた深冷蒸留によって空気を分離する方法が提供され、この方法は以下の工程を含む。
【００１１】
ａ）空気流を圧縮する工程と、
ｂ）主熱交換器内で前記空気流を冷却する工程と、
ｃ）前記空気流を分離カラムのシステムに供給する工程と、
ｄ）前記分離カラムのシステム内で前記空気流から少なくとも１つの窒素流を分離する工程と、
ｅ）分離カラムのシステムから第１のサブクーラー窒素流および第２のサブクーラー窒素流を取り出す工程と、
ｆ）前記第１のサブクーラー窒素流を第１のサブクーラーを通過させる工程と、
ｇ）前記第２のサブクーラー窒素流を第２のサブクーラーを通過させる工程と、
ｈ）前記第１のサブクーラー窒素流が前記第１のサブクーラーを通過した後に、前記第１のサブクーラー窒素流を前記主熱交換器に送る工程と、
ｉ）前記第２のサブクーラー窒素流が前記第２のサブクーラーを通過した後に、前記第２のサブクーラー窒素流を前記主熱交換器に送る工程と、
ｊ）前記第１のサブクーラー内で少なくとも第１のプロセス流を冷却する工程と、
ｋ）前記第２のサブクーラー内で少なくとも第２のプロセス流を冷却する工程。
【００１２】
上で参照した空気流は、好ましくは種々の圧力の複数の流に分割できることを注目すべきだ。これらの流は冷却され、システムの操作に要求されるような分離カラムのシステムに供給される。さらに、上で参照した分離カラムのシステムは空気をその成分に分離するための任意の様々なシステムでもよい。
【００１３】
本発明の代替の実施形態によれば、
−前記主熱交換器は低圧主熱交換器と高圧主熱交換器とを含む。
【００１４】
−前記第１のサブクーラー窒素流が前記低圧サブクーラーを通過した後に前記第１のサブクーラー窒素流を前記低圧主熱交換器に供給する。
【００１５】
−前記第１のサブクーラーを前記低圧主熱交換器と一体化する。
【００１６】
−前記第２のサブクーラー窒素流が前記高圧サブクーラーを通過した後に前記第２のサブクーラー窒素流を前記高圧主熱交換器に供給する。
【００１７】
−前記第２のサブクーラーを前記高圧熱交換器と一体化する。
【００１８】
−前記窒素流はダブルもしくはトリプル空気分離カラムの低圧分離カラム、またはトリプルカラムの中圧カラムから生じる。
【００１９】
−前記第１のサブクーラー窒素流および前記第２のサブクーラー窒素流の流量を制御システムによって制御する。
【００２０】
−前記制御システムは第１の制御弁と第２の制御弁を含む。
【００２１】
−前記第１のプロセス流はリッチ液体流、液体空気流、リーン液体流、液体酸素流、およびそれらの組み合わせからなる流の群より選択される。
【００２２】
−前記第２のプロセス流はリッチ液体流、液体空気流、リーン液体流、液体酸素流、およびそれらの組み合わせからなる流の群より選択される。
【００２３】
−プロセス流を２つに分割し、第１および第２のプロセス流を形成する。
【００２４】
−分離カラムのシステムから窒素流を取り出し、窒素流を分割し、第１および第２のサブクーラー窒素流を形成する。
【００２５】
本発明のさらなる態様によれば、少なくとも２つの別個のサブクーラーを用いた深冷蒸留によって空気を分離する装置が提供され、装置は以下を含む。
【００２６】
ａ）分離カラムのシステムと、
ｂ）第１のサブクーラーと、
ｃ）第２のサブクーラーと、
ｄ）主熱交換器と、
ｅ）窒素を前記分離カラムのシステムから前記第１のサブクーラーに送るための導管と、
ｆ）窒素を前記分離カラムのシステムから前記第２のサブクーラーに送るための導管と、
ｇ）窒素を前記第１のサブクーラーから主熱交換器に送るための導管と、
ｈ）窒素を前記第２のサブクーラーから主熱交換器に送るための導管と、
ｉ）第１の温流を前記第１のサブクーラーに送るための導管と（ここで前記第１の温流は前記第１のサブクーラー内で冷却される）、
ｊ）第２の温流を前記第２のサブクーラーに送るための導管と（ここで前記第２の温流は前記高圧サブクーラー内で冷却される）、
ｋ）第１の冷却流を前記低圧サブクーラーから前記分離カラムのシステムに送るための導管と、
ｌ）第２の冷却流を前記高圧サブクーラーから前記分離カラムのシステムに送るための導管。
【００２７】
さらなる選択肢によれば、
−制御システムが存在し、ここで前記制御システムは前記第１のサブクーラーおよび前記第２のサブクーラーへの窒素流流量を制御する。
【００２８】
−前記主熱交換器は低圧主熱交換器と高圧主熱交換器とを含む。
【００２９】
−前記第１のサブクーラーから前記主熱交換器に窒素を運ぶための前記導管は、窒素を前記第１のサブクーラーから前記低圧主熱交換器に送る。
【００３０】
−前記第２のサブクーラーから前記主熱交換器に窒素を運ぶための前記導管は、窒素を前記第２のサブクーラーから前記高圧主熱交換器に送る。
【００３１】
−前記第１のサブクーラーは前記低圧主熱交換器と一体化されている。
【００３２】
−前記第２のサブクーラーは前記高圧主熱交換器と一体化されている。
【００３３】
−カラムシステムのカラムからの窒素流を分割し、第１および第２のサブクーラー流を形成する手段が存在する。
【００３４】
本発明は配管サイズを減じ、したがってサブクーラー、配管、および関連した機器に関する設計および建造の問題に対処する利点を有する。向上した設計はサブクーラーの構築コストおよびプラント建造コストを低減させる。本システムは熱応力の低減、したがって機器の故障率の低減によってさらに向上した安全性と信頼性という利点を持つ。
【００３５】
代替的に、主熱交換器を複数の別個の装置に分割し、複雑性を減じ、コストを減じ、分離システムのレイアウトを向上してもよい。
【００３６】
さらなる向上として、本発明のサブクーラーを別個の主熱交換器と一体化し、さらに配管の複雑性および機器コストを減じてもよい。
【００３７】
本発明は空気分離装置に関連する配管および装置のサイズを減じる要求を満足する深冷蒸留によって空気を分離する方法および装置に向けられる。本発明は分離カラムのシステムから出た窒素流を２つ以上の流れに分割し、各々の流を別個のサブクーラーに送る。
【００３８】
ここで用いた「分離カラムのシステム」は空気のその成分への分離をもたらすことが要求されるカラムの組み合わせを意味する。典型的な空気分離方法は、１つのシステムに一体化される３つのカラム区域を有する。底部カラムは高圧カラム、中部カラムは中圧カラム、ならびに上部カラムは低圧カラムである。カラムの組み合わせおよび関連する機器は分離カラムのシステムである。分離カラムのシステムは典型的に空気から窒素と酸素を分離するが、アルゴン、キセノン、クリプトン、または他の空気の成分を分離するシステムを含んでいてもよい。
【００３９】
ここで用いた用語「カラム」は蒸留または分留カラムまたは領域、すなわち、接触カラムまたは接触領域を含み、ここで、たとえば、垂直に間隔を空けられてカラム内に取り付けられた一連のトレイまたはプレート、および／または構造化またはランダムパッキングのようなパッキング要素への気相および液相の接触によって、液相と気相は逆流的に接触し、流体混合物の分離をもたらす。
【００４０】
ここで用いた用語「サブクーラー」は、窒素が主熱交換器を通過する前に分離カラムのシステムから出た窒素を用いてプロセス流を冷却する方法で液体を冷却する装置を意味する。「サブクーリング」は典型的に流を現在の圧力における流体の飽和温度よりも低い温度に冷却するということである。しかしながら本発明において、サブクーラーを単純にプロセス流を冷却するために用いてもよい。サブクーラーは典型的に深冷カラムから出る冷たい窒素流をより温かいカラム流と逆流的な方法で通し、カラム流をサブクールし、窒素流を主熱交換器に通す前に流出窒素流を温める。
【００４１】
ここで用いた用語「主熱交換器」は冷たい流出流を温かい流入流と逆流的に流すことによって流入流を冷却する１つまたは複数の熱交換器を意味する。主熱交換器を２つ以上の別個の主熱交換器に分割してもよく、それらは高圧主熱交換器（ＨＰＭＨＥ）および低圧主熱交換器（ＬＰＭＨＥ）と呼ばれる。ＨＰＭＨＥは所定の圧力を上回る圧力で全ての流を受け、ＬＰＭＨＥは所定の圧力を下回る圧力で流を受ける。こういう訳で、ＬＰＨＭＥはＨＰＭＨＥよりも頑強な構造でなくてもよい。ＨＰＨＭＥは１つの実施形態では約４０ｂａｒを上回る圧力で入る高圧の流入空気を受ける。ＬＰＨＭＥは１つの実施形態では約６ｂａｒで入る中圧の流入空気を受ける。
【００４２】
ここで用いた「低圧窒素」は低圧分離カラムの上部から生じた窒素を意味する。１つの実施形態において、低圧窒素は約１〜２ｂａｒの圧力で低圧カラムから出る。
【００４３】
ここで用いた「中圧窒素」は中圧分離カラムの上部から生じた窒素を意味する。
【００４４】
ここで用いた「リッチ液体」は高圧分離カラムの底部から生じた酸素リッチな液体流を意味する。１つの実施形態においてこの流は約６ｂａｒの圧力で作動する。
【００４５】
ここで用いた「リーン液体」は高圧分離カラムの上部区画から生じる酸素がリーンな液体流を意味する。１つの実施形態においてこの流は約６ｂａｒの圧力で作動する。
【００４６】
ここで用いた「液体空気」は液化した空気、たとえば高圧カラムの側面、典型的に中腹部から出る流を意味する。１つの実施形態において、この流は約６ｂａｒの圧力で作動する。
【００４７】
ここで用いた「液体酸素流」（Ｌｏｘ）は中圧カラムの底部から生じる液体流を意味する。１つの実施形態においてこの流は約２ｂａｒの圧力で作動する。
【００４８】
ここで用いた「中圧空気」（ＭＰ  Ａｉｒ）はさらなる圧縮をせずに一次の空気圧縮システムから生じた流入空気を意味する。この流は冷却後に高圧カラムの底部に気体として供給される。１つの実施形態において中圧空気は約６ｂａｒの圧力で高圧カラムに入る。
【００４９】
ここで用いた「温窒素流」は１つまたは複数の主熱交換器を出た低圧の窒素流を意味する。これを廃窒素と呼んでもよいし、生成物と呼んでもよい。１つの実施形態において温窒素流は約１〜２ｂａｒの圧力で主熱交換器を出て行く。主熱交換器が２つの別個のデバイスに分割される場合は、低圧主熱交換器を出る窒素流をここで第１の温窒素流と呼び、高圧主熱交換器を出た窒素をここで第２の温窒素流と呼ぶ。
【００５０】
ここで用いた「低圧酸素流」（ＬＰｏｘ）は分離カラムのシステムから出た酸素流を意味する。１つの実施形態においてこの流は主熱交換器に送る前に約１２ｂａｒの圧力に加圧される。
【００５１】
ここで用いた「高圧酸素流」（ＨＰｏｘ）は高圧に加圧された後に分離カラムのシステムから出る酸素流を意味する。１つの実施形態においてこの流は主熱交換器に送る前に約７３ｂａｒの圧力に加圧される。
【００５２】
ここで用いた「高圧窒素流」（ＨＰ  Ｌｉｎ）は圧力を上げられた後、主熱交換器内で温められる前に分離カラムのシステムから出る窒素流を意味する。１つの実施形態においてこの流は約１１．５ｂａｒの圧力に加圧される。
【００５３】
ここで用いた「第１の高圧空気流」（Ｆｉｒｓｔ  ＨＰ  Ａｉｒ）は一次圧縮システムおよびブースター圧縮機を通過し、主熱交換器に入る空気流を意味する。1つの実施形態で圧力を約５０ｂａｒまで上昇させる。
【００５４】
ここで用いた「冷却された第１の高圧空気流」は主熱交換器内で冷却された後のＦｉｒｓｔ  ＨＰ  Ａｉｒ流を意味する。この流を膨張弁または膨張タービン内で膨張させた後に典型的に中圧カラムの側面に供給する。
【００５５】
ここで用いた「第２の高圧空気流」（Ｓｅｃｏｎｄ  ＨＰ  Ａｉｒ）は一次圧縮システムおよびブースター圧縮機を通過し、主熱交換器に入る空気流を意味する。１つの実施形態において圧力を約６９ｂａｒまで上昇させる。
【００５６】
ここで用いた「冷却された第２の高圧空気流」は主熱交換器内で冷却された後のＳｅｃｏｎｄ  ＨＰ  Ａｉｒ流を意味する。この流を膨張弁または膨張タービン内で膨張した後に典型的に高圧カラムの側面に供給する。
【００５７】
ここで用いた「低圧液体酸素流」（ＬＰ  Ｌｏｘ）は高圧液体酸素流よりも低い圧力で作動する主熱交換器内で気化される前に分離カラムのシステムから出る酸素流を意味する。１つの実施形態においてＬＰ  Ｌｏｘは約１２ｂａｒの圧力で作動する。
【００５８】
ここで用いた「高圧液体酸素流」（ＨＰ  Ｌｏｘ）は高作動圧に加圧される主熱交換器内で気化される前に分離カラムのシステムから出る酸素流を意味する。１つの実施形態でＨＰ  Ｌｏｘは約７３ｂａｒの圧力で作動する。
【００５９】
ここで用いた「冷却された中圧空気流」（ＣＭＰ  ａｉｒ）は冷却後に一次入口圧縮システムから生じたＭＰ  Ａｉｒ流を意味する。この流を高圧分離カラムの底部に供給する。
【００６０】
図１を参照すると、本発明の１つの実施形態は空気を中圧空気流（ＭＰ  Ａｉｒ）２、第１の高圧空気流（Ｆｉｒｓｔ  ＨＰ  Ａｉｒ）４、および第２の高圧空気流（Ｓｅｃｏｎｄ  ＨＰ  Ａｉｒ）６に圧縮することによって空気を成分に分離する。これらの流を主熱交換器８内で冷却し、次に分離カラムのシステムＡＳＵに供給する。分離カラムのシステムは空気流から低圧窒素流１０を分離し、システムから取り出す。方法は少なくとも第１のサブクーラー１２および第２のサブクーラー１４を利用し、流入供給流または分離カラムのシステムから来る流を冷却する一方で、低圧窒素を主熱交換器８を通して温める。第１のサブクーラー１２および第２のサブクーラー１４は別個の装置である。深冷サブクーラーを設計、構築する当業者は本発明に求められる別個のサブクーラーを構築することができる。
【００６１】
再び図１を参照すると、低圧窒素流１０を第１のサブクーラー窒素流１６と第２のサブクーラー窒素流１８に分割する。低圧窒素流１０は分離カラムのシステムＡＳＵ内の任意のカラムからの排気である。低圧窒素流１０は分離カラムのシステムの低圧カラム（示していない）からの排気、中圧カラムからの排気、これらの組み合わせ、または分離カラムのシステムから出る任意の他の冷たい排気流でもよい。１つの実施形態において低圧カラムからの排気を１つのサブクーラーに送る一方、中圧カラムからの排気を他方のサブクーラーに送る。
【００６２】
再び図１を参照すると、第１のサブクーラー窒素流１６を第１のサブクーラー１２内で温める一方で分離カラムのシステムからの流を冷却する。第１のサブクーラー１２は好ましくはリッチ液体流２０、空気液体流２２、または両方を冷却する。しかしながら、第１のサブクーラー１２はリーン液体流、液体酸素流、およびそれらの組み合わせを含む任意の空気分離装置のプロセス流を冷却することもできる。同様に、第２のサブクーラー窒素流１８を第２のサブクーラー１４内で温める一方で、分離カラムのシステムからの流をサブクールしてもよい。１４は好ましくはリーン液体流２４、液体酸素流２６、または両方を冷却する。第２サブクーラー１４はリッチ液体流２０、空気液体流２２、およびそれらの組み合わせを含む、空気分離装置の任意のプロセス流を冷却することもできる。
【００６３】
さらに図１を参照すると、第１のサブクーラー１２および第２のサブクーラー１４から出た窒素流を主熱交換器８に送り、中圧空気流（ＭＰ  Ａｉｒ）２、第１の高圧空気流（ＨＰ  ａｉｒ１）４、および第２の高圧空気流（Ｓｅｃｏｎｄ  ＨＰ  Ａｉｒ）６に冷却を与える。第１のサブクーラー１２および第２のサブクーラー１４から出た窒素流は好ましくは別々のラインで主熱交換器８に送られるが、主熱交換器８に供給する１つのラインに合体してもよい。
【００６４】
第１のサブクーラー窒素流１６の流量および第２のサブクーラー窒素流１８の流量を第１の制御弁３２および第２の制御弁３４によって制御し、必ずしもそうとは限らないが、好ましくは各々の流導管内に配置する。必ずしもそうとは限らないが、これらの制御弁を好ましくは主熱交換器８の出口に配置する。各々の流の流量は、好ましくは低圧窒素流１０を第１のサブクーラー１２および第２のサブクーラー１４の間の比率基準で分割する制御スキームによって制御される。
【００６５】
当業者は分離カラムのシステムは典型的に低圧液体酸素（ＬＰ  Ｌｏｘ）３６、高圧液体酸素（ＨＰ  Ｌｏｘ）３８および高圧液体窒素（ＨＰ  Ｌｉｎ）４０の流を産出することを理解するであろう。またこれらの流は主熱交換器８を通して送られ、流入空気流に冷却を与える。
【００６６】
当業者は、複数の圧縮システムの使用を含む、空気を圧縮するためのこの分野で既知の種々の構成が存在することも理解するであろう。ＦＩｒｓｔ  ＨＰ  Ａｉｒ４およびＳｅｃｏｎｄ  ＨＰ  Ａｉｒ６の流は典型的に約４０ｂａｒを上回る圧力で主熱交換器に入る。ＭＰ  Ａｉｒ２は典型的に約６ｂａｒの圧力で主熱交換器に入るが、約４〜１０ｂａｒでもよい。さらに、当業者は本発明の実施形態に示された３つの流よりも多いまたは少ない別個の空気流が存在してもよいことを理解するだろう。
【００６７】
加えて、当業者は空気の成分を分離する本発明に用いられる分離カラムのシステムのための種々の構成が存在することを理解するであろう。応用の実施形態は高圧分離カラム、中圧分離カラムおよび低圧分離カラムを含む典型的な分離カラムのシステムに属する。しかしながら、本発明を空気の成分を分離する分離カラムの任意のシステムに用いてもよい。
【００６８】
図２の実施形態は上述したような同様の方法を利用する。しかしながらこの実施形態において主熱交換器は別個の熱交換器である低圧主熱交換器（ＬＰＭＨＥ）４２と高圧主熱交換器（ＨＰＭＨＥ）４４に分離される。必ずしもそうとは限らないが、第１のサブクーラー１２を出た低圧窒素は、好ましくは（ＬＰＭＨＥ）４２に送る。同様に、必ずしもそうとは限らないが、第２のサブクーラー１４から出た窒素は、好ましくは（ＨＰＭＨＥ）４４に送る。ＬＰＭＨＥおよびＨＰＭＨＥをどのように設計、構築するかは当業者に公知である。
【００６９】
図３の実施形態も上述したような図１の同様の方法を用いる。また、図２の方法のように主熱交換器は別個の熱交換器である低圧主熱交換器（ＬＰＭＨＥ）４２と高圧主熱交換器（ＨＰＭＨＥ）４４に分離される。しかしながら、図３の実施形態において第１のサブクーラー１２は（ＬＰＨＭＥ）４２と一体化され、第２のサブクーラー１４は高圧主熱交換器４４と一体化される。深冷熱交換器を構築する当業者は本発明の一体化交換器を設計、構築することができる。
【００７０】
本発明をそのいくつかの好ましいバージョンを参照にしてかなり詳細に記述しているが、他のバージョンも可能である。例えば、分離カラムのシステムは２つのカラムを含んでもよいし、アルゴン分離区域を含んでもよい。同様に主熱交換器は１つ、２つまたはそれ以上の別個の交換器を含んでいてもよい。さらに、本発明は分離プロセスにおける２つ、３つまたはそれ以上のサブクーラーに適用でき、プロセス流は別個のサブクーラーの間で分割される。さらには、第２サブクーラーがＨＰＭＨＥと一体化されているが第１サブクーラーとＬＰＭＨＥが別個の装置であるか、第１サブクーラーがＬＰＭＨＥと一体化されているが第２サブクーラーとＨＰＭＨＥが別個の装置であるような、サブクーラーおよび主熱交換器の代替の構成がありうる。本発明のサブクーラーを通過する窒素の流量または圧力を制御するこの分野で既知の種々の制御スキームもある。例えば内蔵型調整器、圧力制御弁、フローオリフィス、流量制御弁、またはその他の流量調整デバイスである。それゆえに、添付の請求項の精神および範囲はここに含まれる好ましいバージョンの記述に限定されることはない。
【００７１】
この明細書に記述された全ての特徴（あらゆる添付の請求項、要約、および図面を含む）は、他の方法ではっきりと述べなければ、同一、均等または類似の目的に役立つ代替の特徴によって置き換えられてもよい。したがって、他の方法ではっきりと述べなければ、開示された各々の特徴は均等または類似の特徴の包括的な系列の一例に過ぎない。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】−図１はこの発明の深冷方法の１つの好ましい実施形態の概略図である。
【図２】−図２はこの発明の深冷方法の第２の好ましい実施形態の概略図である。
【図３】−図３はこの発明の深冷方法の第３の好ましい実施形態の概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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