(57)【要約】加圧気体流の一の成分（Ａ）を濃縮する方法に関する。本発明方法は次の工程を包含する。該流は少なくとも第１画分及び第２画分（２、３）に分けられる；第１画分の少なくとも一部は分離ユニット（ＡＳＵ）に送られる；分離ユニットは、分離ユニットに供給される画分（２）よりＡ含量が高い第１排出（１０）を含む少なくとも２つの排出を供給する；第１排出の少なくとも一部は第２画分(３)の少なくとも一部と混合して加圧気体混合物（１５）を形成する。第２画分は膨張され、及び次いで第１排出の少なくとも一部と混合する。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧気体流の１成分を濃縮化する方法であって、
ｉ）流（１）を少なくとも第１画分及び第２画分(２、３)に分ける工程、
ｉｉ）第１画分（２）の少なくとも一部を分離ユニット（ＡＳＵ）に送る工程、
ｉｉｉ）分離ユニットから少なくとも第１及び第２流を供給し、その第１流（１０）は第１画分より高い含量の成分Ａを有する工程、
ｉｖ）第１流の少なくとも一部を第２画分の少なくとも一部と混合して加圧気体混合物（１５）を形成する工程を包含する方法において、
第１流の少なくとも一部が混合される前に第２画分を膨張させることを特徴とする方法。
【請求項２】
該加圧気体流（１）及び第１画分（２）が実質的に同一圧力であり、及び、特に、圧力低下のみがこれらの２つの流体の圧力の間の変化の原因である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第１流及び膨張した第２画分が実質的に同一の圧力であり、及び、特に、圧力低下のみがこれらの２つの流体の圧力の変化の原因である請求項１及び２のいずれかに記載の方法。
【請求項４】
分離ユニット（ＡＳＵ）が、該ユニットで生じる又は該ユニット用の気体流の圧縮のためのエネルギー需要に関して自律性である請求項１〜３項のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
加圧気体流（１）が空気であり及び場合によって成分Ａが酸素である請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
加圧気体流が高炉（ＢＦ）用の空気である請求項５に記載の方法。
【請求項７】
分離ユニットが低温蒸留分離ユニット（ＡＳＵ）である請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
分離ユニット（ＡＳＵ）が中圧カラム（２Ａ）、中圧カラムに熱的に連結された低圧カラム（４Ａ）、及び混合カラムを包含する請求項７に記載の方法。
【請求項９】
蒸留カラム用の第１画分のいずれの部分も圧縮されないか又は混合カラム用又は中圧カラム用の第１画分のいずれの部分も該流が工程ｉ）で分割された後に圧縮されない請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
ｉ）第１操作において、第１画分の少なくとも一部が圧縮され、及び第１画分の少なくとも一部が混合される前に第２画分が膨張されない、及び
ｉｉ）第２操作において、第１画分の少なくとも一部が圧縮されない（第１画分が圧縮されない）、及び第１流の少なくとも一部が混合される前に第２画分が膨張される、
請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
加圧気体流の１成分Ａを濃縮する装置であって、
ｉ）加圧気体流（１）を少なくとも第１画分及び第２画分（２、３）に分ける手段、
ｉｉ）分離ユニット（ＡＳＵ）、
ｉｉｉ）第１画分（２）の少なくとも一部を分離ユニットに送る手段、及び
ｉｖ）分離ユニットで製造され及び第１画分に比較してＡが濃縮された第１流（１０）の少なくとも一部を第２画分と混合して、加圧気体流に比較してＡが濃縮された流（１５）を形成する手段を具備する装置において、
第１流の少なくとも一部と混合する手段の上流及び気体流を分割する手段の下流で第２画分を膨張させる手段（Ｖ）を含むことを特徴とする装置。
【請求項１２】
分離ユニットが、中圧カラム（３Ａ）、中圧カラムと熱的に連結した低圧カラム（４Ａ）、及び混合カラム（６Ａ）を具備する空気分離ユニット（ＡＳＵ）である請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
中圧カラム用又は気体流を分割する手段の下流の混合カラム用の空気を圧縮する手段を含まない請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
第２画分を圧縮する手段及び膨張手段を介して通過することなく第１流の少なくとも一部と混合すべき第２画分を送る手段を含む請求項１１及び１２のいずれかに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体流の一成分を濃縮する(enriching)方法及び装置に関する。特に、空気を酸素で濃縮する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気の酸素濃縮は鉄鋼業において必要となっている。
【０００３】
高炉における熱コークスの減少又は排除は、一般に石炭粉投入（ＣＰＩ）の利益のためにこの必要な変化が求められている。
【０００４】
この濃縮を経済的に達成するためにＥＰ−Ａ−０５３１１８２で知られる手段は、高炉用の空気流の一部の低温(cryogenic)蒸留からなる。得られるのは、窒素に富む流と酸素に富む流であり、後者は次いで空気分離ユニットの下流で空気流に再混合される。
【０００５】
酸素流の圧力は空気分離ユニット（ＡＳＵ）に供給される空気流の圧力に近いので、混合カラムを含む方法は特に適当で経済的であることが認められた。
【０００６】
図１は、空気を酸素で濃縮するためのＥＰ−Ａ−０５３１１８２に記載された分離ユニットを示す。これは圧力Ｐで高炉用投入を構成する空気システムから供給される。空気蒸留ユニットは、圧力Ｐより僅かに高い所定の圧力で、例えば有利には圧力Ｐより高い１×１０４Ｐａ  ａｂｓ〜１×１０５Ｐａ  ａｂｓの圧力で、低純度酸素、例えば８０〜９７％及び好ましくは８５〜９５％の純度の酸素を製造することを意図する。
【０００７】
このユニットは、本質的に熱交換ライン１Ａ、ダブル蒸留カラム２Ａ、ダブル蒸留カラム自体は中圧カラム３Ａ、低圧カラム４Ａ、及び主コンデンサー-リボイラー５Ａを具備し、及び混合カラム６Ａを具備する。カラム３Ａ及び４Ａは典型的にはそれぞれ約５．４５×１０５Ｐａ及び約１．５×１０５Ｐａで操業する。
【０００８】
文献ＵＳ−Ａ−４０２２０３０に詳細に説明されているように、混合カラムは蒸留カラムと同一の構造を有するカラムであるが、可逆性に近い方法で、カラムの底部に導入される相対的に揮発性気体を、カラムの頂部に導入される低揮発性液体に混合するために用いられる。
【０００９】
このような混合は冷却エネルギーを発生し、従って蒸留に伴うエネルギー消費を減少させる。本件の場合には、後述するように、この混合は圧力Ｐで直接製造されるべき不純酸素のためにも有利に用いられる。
【００１０】
図１の場合、空気流は、交換ライン１Ａで冷却された、圧縮機１４Ａによって混合カラムの圧力に圧縮され、サブ冷却機２１Ａでサブ冷却され、及び混合カラム６Ａの底部に送られる。
【００１１】
カラム３Ａの底部から取出された「リッチ液体」（酸素に富む空気)は、膨張バルブ１０Ａで膨張した後、カラム４Ａに導入される。カラム３Ａの中間点１１Ａから取出された「リーン液体」(不純窒素)は、膨張バルブ１２Ａで膨張した後、装置の排ガスを構成する。このガスとカラム３Ａの頂部で製造され得る中圧の純粋気体状窒素は交換ライン１Ａで温められ、装置から排出される。これらの気体は、それぞれ図１においてＮＩ及びＮＧで示される。
【００１２】
液体酸素は、ダブルカラム２Ａの設定しだいで高い或いは低い純度で、カラム４Ａから取出され、圧力低下（Ｐ１−Ｐは２×１０５Ｐａ未満）を考慮するため上記圧力Ｐより僅かに高い圧力Ｐ１にあげ、カラム６の頂部に導入される。
【００１３】
混合カラム６Ａから３つの液体流が取出される。底部からは、リッチ液体に類似し及び膨張バルブ１５Ａ’を備えたライン１５Ａを介してリッチ液体と一緒にされる液体、中間点からは、膨張バルブ１７Ａを備えたライン１６Ａを介して低圧カラム４Ａに送られる酸素及び窒素から本質的になる混合物、及び、頂部からは、熱交換ラインで温められた後に、製造気体ＯＩとしてライン１８Ａを介して装置から、実質的に圧力Ｐで放出される不純酸素である。
【００１４】
図では、装置を循環する流体から利用可能な冷却を回収するための補助熱交換器１９Ａ、２０Ａ、２１Ａも示されている。
【００１５】
図２は、従来技術による高炉用の空気流を濃縮するための統合装置が模式的に示している
空気流は送風機Ｓで圧縮されて圧縮流を形成する。この流は２つの画分２及び３に分けられる。第１画分２はチラーＲ、例えば水チラーで冷却し、ブースターＣで圧縮し及び空気分離ユニット（ＡＳＵ）に送る。空気分離ユニットは例えば低温蒸留によって操業し、及び、分離カラムの上流で精製ユニット及び交換ラインを含む。８０〜９５モル％の酸素を含む酸素流１０及び廃流であり得る窒素流１１を製造する。酸素に富む流の少なくとも一部は第２空気画分３と混合する。酸素に富む、混合流１５はカウパー(cowpers)Ｗで加熱し高炉ＢＦに送る。
【００１６】
空気分離ユニット（分離ユニットへの高炉風における空気取入と酸素流再注入との間）を包含する回路内の圧力低下を防ぐために、圧縮機Ｃを設置する。これは空気分離ユニット用の全空気流（図２による）又は（図１の変形として）混合カラムに供給するための空気流（即ち分離ユニットで処理する空気流の約３０％）の圧力を上昇することを可能にする。
【００１７】
本発明の目的は、分離ユニットの冷却を維持するための膨張タービンの軸に連結されたもの以外の空気分離ユニットにおける気体流圧縮機を用いることなく、より経済的でより信頼できる方法で製鉄法に空気分離ユニットを統合することである。
【００１８】
本発明の主題はその一成分Ａで加圧気体流を濃縮する方法であり、次の工程を包含する。  
ｉ）該流を少なくとも第１画分及び第２画分に分ける工程、  
ｉｉ）第１画分の少なくとも一部を分離ユニットに送る工程、  
ｉｉｉ）分離ユニットから、少なくとも第１流及び第２流を供給し、第１流は第１画分より高い含量の成分Ａを有する工程、  
ｉｖ）第１流の少なくとも一部を第２画分の少なくとも一部と混合して加圧気体混合物を形成する工程、を具備し、  
第１流の少なくとも一部を混合する前に第２画分を膨張させることを特徴とする方法である。
【００１９】
他の選択的観点によれば、  
-加圧気体流及び第１画分は実質的に同一圧力であり及び、特に、圧力低下のみがこれら２つの流体の間の圧力変化の原因である、  
-第１流及び膨張した第２画分は実質的に同一圧力であり及び、特に、圧力低下のみがこれら２つの流体の間の圧力変化の原因である、  
-分離ユニットは、ユニットで製造され又はユニット用の気体流を圧縮するためのエネルギー需要に関し自律的である、  
-加圧気体流は空気であり及び場合により成分Ａは酸素である、  
-加圧気体流は高炉用の空気である、  
-分離ユニットは低温蒸留分離ユニットである、  
-分離ユニットは中圧カラム、中圧カラムと熱的に連結された低圧カラム、及び混合カラムを具備する、  
-蒸留カラム用の第１画分のいっずれの部分も圧縮されない又は混合カラム用又は中圧カラム用の第１画分のいずれの部分も該流が分れた後に圧縮されない。
【００２０】
操作の一の特定の方法によれば、ｉ）第１操作において、第１画分の少なくとも一部は圧縮され及び第２画分は第１画分の少なくとも一部がそれと混合される前に膨張されない、及び
ｉｉ）第２操作において、（例えば圧縮機Ｃが作動していない場合）第１画分の少なくとも一部が圧縮されない（第１画分は圧縮されない）及び、第１流の少なくとも一部がそれと混合される前に第２画分は膨張される。
【００２１】
本発明の他の主題は加圧気体流をその成分Ａで濃縮する装置であり、  
ｉ）加圧気体流を少なくとも第１画分及び第２画分に分ける手段、  
ｉｉ）分離ユニット、  
ｉｉｉ）第１画分の少なくとも一部を分離ユニットに送る手段、  
ｉｖ）分離ユニットで製造され及び第１画分に比較してＡが濃縮された第１流の少なくとも一部を、第２画分と混合して加圧気体流に比較してＡが濃縮された流を形成する手段、を包含し、  
第１流の少なくとも一部を混合する手段の上流、及び気体流を分割する手段の下流で第２画分を膨張する手段を含むことを特徴とする。
【００２２】
他の選択的観点によれば、  
-分離ユニットは、中圧カラム、中圧カラムと熱的に連結された低圧カラム、及び混合カラムを包含する空気分離ユニットである、  
-該装置は、中圧カラム用又は混合カラム用の空気を圧縮する手段を含まない、及び  
-該装置は、第２画分を圧縮するための手段及び膨張手段を介して通過することなく第１流の少なくとも一部と混合される第２画分を送る手段を含む。
【００２３】
有利には、分離方法は、追加的空気圧縮手段の必要なしに、中圧カラムの圧力と同一又はより高い圧力で操業する混合カラムを用いる。
【００２４】
このように、混合カラムユニットを、追加の空気圧縮機なしで高炉ブラスターに統合することを提案する。従って、この建設のために必要な投資を最小限にしながら、酸素分子、及び従って濃縮空気の高炉への配達の信頼性を高める。
【００２５】
本発明の他の主題は、少なくとも１の中圧カラム、低-中圧カラムに熱的に連結した低圧カラム及び中圧カラムの圧力より高い圧力で操業する混合カラムを包含する装置を用いて空気を分離する方法であり、  
ｉ）空気、加圧され及び精製された空気を中圧カラムに送り、  
ｉｉ）窒素に富み及び酸素に富む流を中圧カラムから低圧カラムに送り、  
ｉｉｉ）酸素に富む液体を低圧カラムから混合カラムの頂部に送り、  
ｉｖ）酸素に富む気体を混合カラムの頂部から取出す方法において、  
窒素に富む液体流を中圧カラムから取出し、加圧し及び少なくとも部分的に蒸発し、及び混合カラムの底部に蒸発液体の少なくとも一部を供給することを特徴とする。
【００２６】
好ましくは、窒素に富む液体を供給空気の一部で熱交換によって蒸発させる。こうして液化した空気は中圧カラム及び低圧カラムの少なくとも一方に送り得る。
【００２７】
窒素に富む液体はポンプ及び／又は静圧によって加圧される。
【００２８】
本発明の他の主題は、空気分離装置であり、
ａ）中圧カラム、  
ｂ）低-中-圧カラムに熱的に連結された低圧カラム、  
ｃ）中圧カラムの圧力より高い圧力で操業する混合カラム、  
ｄ）圧縮され精製された空気を中圧カラムに送る手段、  
ｅ）窒素に富む流及び酸素に富む流を中圧カラムから低圧カラムに送る手段、  
ｆ）酸素に富む液体を低圧カラムから混合カラムの頂部に送る手段、及び  
ｇ）酸素に富む気体を混合カラムの頂部から取出す手段を包含し、  
該装置が窒素に富む液体流を中圧カラムから取出す手段、該液体を加圧する手段、液体を少なくとも部分的に蒸発させる手段及び蒸発した液体の少なくとも一部分を混合カラムの底部に供給する手段を含むことを特徴とする。
【実施例】
【００２９】
本発明を図３、４及び５を参照して詳細に説明する。図３及び５は本発明による気体流を濃縮するユニットを示し、図４は本発明を実施するために特に適した分離ユニットを示す。
【００３０】
図３は、従来技術による高炉用の空気流の濃縮のための統合したユニットを模式的に示す。
【００３１】
空気の流は送風機Ｓで圧縮されて圧縮流１を形成する。この流は２つの画分２及び３に分けられる。第１画分２はチラーＲ、例えば水チラーによって冷却され、チラーと空気分離ユニット（ＡＳＵ）の入口との間で圧縮されることなく空気分離ユニットに送られる。空気分離ユニットは例えば低温蒸留によって操業し、精製ユニット及び交換ラインを分離カラムの上流に含む。これは８０〜９５モル％の酸素を含む酸素流１０及び廃流であり得る窒素流１１を製造する。第２空気画分３は、例えばバルブ、オリフィス、減少直径パイプ又はタービンであり得る膨張手段Ｖによって膨張される。酸素に富む流１０の少なくとも一部は、膨張手段Ｖの下流で、膨張した第２空気画分３に混合する。酸素に富む混合した流１５は、カウパーＷ内で加熱され、高炉ＢＦに送られる。
【００３２】
この解決は、空気分離ユニットの上流の圧力を上げるための空気ブースターを不要にする。従って全システムのエネルギーの消費は良好になる。
【００３３】
図４は、詳細には説明しないが、同一の参照番号を有する図１の要素を採用する。
【００３４】
高炉風用の主空気圧縮機又は膨張タービンからくる５．４５バールの中圧の精製した空気７ａは中圧カラム２Ａに入る前に少なくとも２つの分離流に分かれる。
【００３５】
第１流１００は気体状で中圧カラム２Ａの底部に直接供給される。
【００３６】
第２流２００は熱交換器１０１Ａで少なくとも部分的に凝縮する。液化部分は蒸留カラムの一（中圧カラム２Ａ又は低圧カラム４Ａのいずれか）に導入される。図４において、流２０４は中圧カラムの底部に送られるが、流２０４は交換器１９Ａでサブ冷却された後に低圧カラムに送られる。
【００３７】
空気に比較して窒素に富む液体流３００は中圧カラム３Ａから取出され、ポンプ４００によって又は単なる静水高で圧縮され、熱交換器１０１Ａ内で中圧空気の凝縮に対して蒸発されて気体窒素流５００を形成し次いで混合カラム６Ａの底部に供給される。こうして、空気と窒素に富む流との間の組成の差を利用して、混合カラム６Ａのための供給が中圧カラム３Ａを供給する空気１００の圧力以上の圧力で行われ、追加の圧縮機を使用することなく行われる。
【００３８】
混合カラムに導入する前に主交換ライン内で気体状窒素５００を温めることも考えることができる。
【００３９】
５．９バールの気体状窒素流５００を製造するために熱交換器１０１Ａは０．６℃の△Ｔを有する。
【００４０】
混合カラム６Ａの底部から来る流１５Ａは、図１のものより窒素に富み、低圧カラム４Ａの頂部のすぐ下に送られる。
【００４１】
サブクーラー２１Ａは省略され、中圧気体状窒素ＮＧの取出しはない。
【００４２】
場合によって、空気の第３流はブースター８Ａに送られ、交換ライン１Ａで冷却され、吹出しタービン９Ａで膨張されるが、中圧カラム用の空気の膨張を含む、他の冷却手段も考えられる。
【００４３】
このブースターが存在する場合は、本発明の利点は混合カラム用又は中圧カラム用の空気のための空気圧縮工程の必要がないことである。
【００４４】
図４の場合には、抽出効率は減少し、システムの分離エネルギーは基礎の場合より優れている。
【００４５】
然しながら、図４の空気分離ユニットの図３に示された変形に開示された計画への統合はバルブにおける圧力低下を著しく低下することを可能にする。
【００４６】
図５は、従来技術による高炉用の空気流を濃縮するための統合ユニットを模式的に示す。
【００４７】
空気流は送風機Ｓで圧縮され圧縮流１を形成する。この流は２つの画分２及び３に分けられる。第１画分２はチラーＲ、例えば水チラーによって冷却され、ブースターＣで圧縮され、空気分離ユニット（ＡＳＵ）に送られる。この空気分離ユニットは例えば低温蒸留によって操業し、精製ユニット及び交換ラインを分離ユニットの上流に含む。これは８０〜９５モル％の酸素を含む酸素流１０及び廃流になり得る窒素流１１を製造する。第２空気画分３は、例えばバルブ、オリフィス、減少直径パイプ又はタービンであり得る膨張手段Ｖによって膨張される。酸素に富む流１０の少なくとも一部は、膨張手段Ｖの下流で膨張した第２空気画分と混合される。酸素に富む混合流１５はカウパーＷで加熱され、及び高炉ＢＦに送られる。ブースターＣ及びバルブＶは短い巡回手段を有する。ユニットの第１操業において、第１画分は圧縮され、第２画分は膨張されない。第２操業において、第１画分の少なくとも一部分は圧縮されない及び第２画分は第１流の少なくとも一部分が混合される前に膨張される。
【００４８】
変形の評価  
従来技術  
【表１】
2007512491.tif 000003
【００４９】
膨張バルブ(図３)による変形１  
【表２】
2007512491.tif 000004
【００５０】
膨張バルブ(図３)及び図４の空気分離法による変形２  
【表３】
2007512491.tif 000005
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】従来技術による濃縮方法を示す図。
【図２】従来技術による高炉用空気流を濃縮する装置を統合した装置を模式的に示す図。
【図３】本発明による気体流を濃縮する統合ユニットを示す図。
【図４】本発明を実施するために特に適した分離ユニットを示す図。
【図５】本発明による気体流を濃縮するユニットを示す図。
【図１】
2007512491.tif 000006
【図２】
2007512491.tif 000007
【図３】
2007512491.tif 000008
【図４】
2007512491.tif 000009
【図５】
2007512491.tif 000010
【国際調査報告】
2007512491.tif 000011
2007512491.tif 000012
2007512491.tif 000013
2007512491.tif 000014
2007512491.tif 000015
2007512491.tif 000016