(57)【要約】  空気の圧縮、冷却および精製のための一体化された方法において、断熱コンプレッサ（１）が空気流（２）を圧縮して圧縮空気流を生成する。圧縮空気流を、第１の圧力の第１の加圧流（３７）と第２の圧力の第２の加圧流（３９）を温めるために用いる（３）。生じた流は、第１の温められた加圧流（７）と、第２の温められた加圧流（９）と、冷却された圧縮空気流（４）とを含む。第１の温められた加圧流はガス状であり、タービン（１１）で膨張する。タービンにより生じた仕事の少なくとも一部を用いて、断熱コンプレッサに動力を供給する。冷却された圧縮空気流を、水（１５、１７）との熱交換（５）により冷却ユニットでさらに冷却した後、ＴＳＡプロセスを用いる精製ユニット（８）で精製する。温められた第２の加圧流（９Ｂ、９Ｃ）の少なくとも一部を用い、冷却プロセスにおいて用いられる水を冷却（３１）する、および／または精製ユニットを再生するために用いられるガス（４５）を温める。
2008525173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）断熱コンプレッサが空気流を圧縮して圧縮空気流を生じさせ、
ｂ）前記圧縮空気流を用いて、第１の圧力の第１の加圧流および第２の圧力の第２の加圧流を温め、第１の温められた加圧流、第２の温められた加圧流、および冷却された圧縮空気流を生じさせ、
ｃ）前記第１の温められた加圧流はガス状であり、タービン内で膨張し、
ｄ）前記タービンにより生じた仕事の少なくとも一部を用いて、前記断熱コンプレッサに動力を供給し、
ｅ）前記冷却された圧縮空気流を、水との熱交換により冷却（cooling）ユニットでさらに冷却した後、ＴＳＡプロセスを用いる精製ユニットにおいて精製し、および
ｆ）前記温められた第２の加圧流の少なくとも一部を、以下のプロセス、
（ｉ）前記冷却プロセスにおいて用いられる前記水を冷却すること、および
（ｉｉ）前記精製ユニットを再生するために用いられる前記ガスを温めること
から成る群から選択される少なくとも１つにおいて用いる
空気の圧縮、冷却および精製のための一体化された方法。
【請求項２】
前記第１および第２の加圧流が水流である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１および第２の加圧流を前記圧縮空気流との間接的な接触により蒸発させ、第１および第２の蒸気流を生じる請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の加圧流は、前記第２の加圧流よりも高い圧力にある請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の温められた加圧流は、前記第２の温められた加圧流よりも高い圧力にある請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第２の温められた加圧流の少なくとも一部を前記タービン内で膨張させる請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記タービン内で膨張した前記第２の温められた加圧流の少なくとも一部を、前記タービンの中間段階に送る請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記第１および第２の加圧流により冷却された前記空気を、前記さらなる冷却および精製に続いて空気分離ユニットに送る請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記第１および第２の加圧流により冷却された前記空気を、少なくとも１つの水流との直接接触により前記冷却ユニット内でさらに冷却して空気分離ユニットに送り、また前記少なくとも１つの水流を、吸収タイプの冷凍（refrigeration）ユニット内で前記第２の温められた加圧流の少なくとも一部を用いることにより冷却する請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１および第２の加圧流により冷却された前記空気を精製ユニット内で精製して空気分離ユニットに送り、前記空気分離ユニットは前記精製ユニットを再生するために用いられる窒素富化流を生じさせ、前記第２の温められた加圧流の少なくとも一部を前記精製ユニットの上流の前記窒素富化流を温めるために用いる請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
ａ）空気流を圧縮して圧縮空気流を生成するための断熱コンプレッサと、
ｂ）少なくとも１つの熱交換器、および前記圧縮した空気流、第１の圧力の第１の加圧流および第２の圧力の第２の加圧流を前記少なくとも１つの熱交換器に送り、第１の温められた加圧流、第２の温められた加圧流、および冷却された圧縮空気流を生成するための導管と、
ｃ）タービン、および前記第１の温められた加圧流を前記タービンに送るための導管と、
ｄ）前記タービンにより生じる前記仕事の少なくとも一部を前記断熱コンプレッサに移行させるための手段と、
ｅ）水との熱交換による冷却ユニットと、
ｆ）前記冷却された圧縮空気流を冷却ユニットに送り、さらに冷却された圧縮空気流を生成するための導管と、
ｇ）ＴＳＡプロセスを用いる精製ユニット、および精製ユニットに前記さらに冷却された圧縮空気流を送るための導管と、
ｈ）前記温められた第２の加圧流の少なくとも一部を、前記冷却ユニットおよび精製ユニットの少なくとも１つに送るための導管
とを含む空気の前記圧縮、冷却および精製のための一体化された装置。
【請求項１２】
タービン、および前記タービンに前記第２の温められた加圧流の少なくとも一部を送るための導管を含む請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記タービン内で膨張させた前記第２の温められた加圧流の前記少なくとも一部を、前記タービンの中間段階に送るための導管を含む請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記冷却（cooling）ユニットは直接接触冷却ユニットであり、前記冷却ユニットに水を送るための導管と、前記水を冷却するための吸収タイプの冷凍（refrigeration）ユニットと、前記第２の温められた加圧流の少なくとも一部を前記冷凍（refrigeration）ユニットに送るための導管とを含む請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
前記冷却（cooling）ユニットと蒸留カラムシステム内で冷却される前記空気を冷却するためのさらなる熱交換器と、前記カラムシステムのカラムに空気を送るための導管と、前記カラムシステムのカラムからの生成物を取り出すための導管とを含む空気分離ユニット。
【請求項１６】
ａ）熱交換器と、
ｂ）前記カラムシステムから前記熱交換器に、およびそこから前記精製ユニットに窒素富化流を送るための導管と、
ｃ）前記第２の温められた加圧流の少なくとも一部を前記熱交換器に送り、前記精製ユニットの上流の窒素富化流を温めるための導管
とを含む請求項１６のユニット。
【発明の詳細な説明】
【発明の開示】
【０００１】
本発明は、一体化された空気の圧縮、冷却および精製ユニット、並びに空気の圧縮、冷却および精製方法に関する。特に、空気の圧縮、冷却および精製ユニットおよび方法を用いる低温の空気分離ユニットおよび空気分離方法に関する。
【０００２】
ある種のマーケット、特に天然ガスの転化（conversion）のためのマーケットは多量の酸素、従って、増大したサイズの空気分離ユニットを必要とする。従って、空気分離ユニットのための空気圧縮システムの規模を大きくする必要がある。
【０００３】
一般的に、中間冷却器を有するコンプレッサが、空気分離ユニットに供給するために用いられている。大きなプラントについては、これらのコンプレッサのコストはひどく高額になり、かつそのサイズではこれらを設置するのが高額となる。
【０００４】
この問題を回避するために、いくつかのコンプレッサを並行して用いることができるが、これはそれほど経済的でない。
【０００５】
通常、これらの大きなコンプレッサはガスタービンまたは蒸気タービンにより作動する。というのは、電気モータのサイズが限られているためである。蒸気タービンは、天然ガス転化工程により生じる蒸気を用いる。
【０００６】
ガスタービンは軸流コンプレッサ（axial compressor）が用いて、空気分離に用いるよりもさらに多量の空気流を処理することも知られている。しかしながら、これらのコンプレッサは断熱的であり、そのエネルギ消費は望ましくなく、または空気分離に不適合でさえある。何故ならコンプレッサの熱が再利用されないためである。
【０００７】
米国特許第４，４６１，１５４号により、断熱コンプレッサにおいて圧縮された空気を用いて、ボイラー供給水を予備加熱できることが知られている。
【０００８】
米国特許第６，１１７，９１６は、コンプレッサから空気を送る前に、断熱コンプレッサからの熱を用いて作動流体を温めることを記載している。その後、空気をさらに冷却して、空気分離ユニットに送る。
【０００９】
本発明の目的は、圧縮された空気中に存在する熱を効率的に用いてエネルギを発生させることである。
【００１０】
本発明は、空気の圧縮、冷却および精製のための一体化された方法を提供し、この方法においては、
ａ）断熱コンプレッサが空気流を圧縮して、圧縮空気流を生じさせ、
ｂ）上記圧縮空気流を用いて、第１の圧力の第１の加圧流および第２の圧力の第２の加圧流を温め、第１の温められた加圧流、第２の温められた加圧流、および冷却された圧縮空気流を生じさせ、
ｃ）上記第１の温められた加圧流はガス状であり、タービン内で膨張し、
ｄ）上記タービンにより生じる仕事の少なくとも一部を用いて、断熱コンプレッサに動力を供給し、
ｅ）上記冷却された圧縮空気流を、水との熱交換により冷却（cooling）ユニットでさらに冷却した後、ＴＳＡプロセスを用いる精製ユニットにおいて精製し、および
ｆ）上記温められた第２の加圧流の少なくとも一部を、以下の工程、すなわち、冷却プロセスにおいて用いられる水を冷却する工程、および精製ユニットを再生するために用いられるガスを温める工程の少なくとも１つにおいて用いる。
【００１１】
さらに、本発明は、空気の圧縮、冷却および精製のための一体化した装置を提供し、これは、
ａ）空気流を圧縮して圧縮空気流を生成するための断熱コンプレッサと、
ｂ）少なくとも１つの熱交換器、および上記圧縮空気流、第１の圧力の第１の加圧流および第２の圧力の第２の加圧流を、上記の少なくとも１つの熱交換器に送りｓ、第１の温められた加圧流、第２の温められた加圧流、および冷却された圧縮空気流を生成するための導管と、
ｃ）タービン、および第１の温められた加圧流をタービンに送るための導管と、
ｄ）タービンにより生じる仕事の少なくとも一部を断熱コンプレッサに移行させるための手段と、
ｅ）水との熱交換による冷却ユニット、および冷却された圧縮空気流を冷却ユニットに送り、さらに冷却された圧縮空気流を生成するための導管と、
ｆ）ＴＳＡプロセスを用いる精製ユニット、および精製ユニットにさらに冷却された圧縮空気流を送給するための導管と、
ｇ）上記温められた第２の加圧流の少なくとも一部を、上記冷却ユニットおよび精製ユニットの少なくとも１つに送るための導管
とを含む。
【００１２】
断熱圧縮により生じる熱の経済的な利用は、空気分離において従来用いられたような多段式のコンプレッサのものに相当する蒸気消費をもたらす。
【００１３】
本発明の本質および目的のさらなる理解のためには、添付の図面と関連して以下の詳細な説明を参照すべきである。図においては、同種の要素には、同じまたは類似の参照番号を付している。
【００１４】
本発明は、空気の圧縮、冷却および精製のための一体化した方法を提供し、この方法においては、
ａ）断熱コンプレッサが空気流を圧縮して圧縮空気流を生じさせ、
ｂ）圧縮された空気流を用いて、第１の圧力の第１の加圧流および第２の圧力の第２の加圧流を温め、第１の温められた加圧流、第２の温められた加圧流、および冷却された圧縮空気流を生じさせ、
ｃ）上記第１の温められた加圧流がガス状であり、タービン内で膨張し、
ｄ）上記タービンにより生じる仕事の少なくとも１部を用いて上記断熱コンプレッサに動力を供給し、
ｅ）上記冷却された圧縮空気流を水との熱交換によって冷却ユニットでさらに冷却した後、ＴＳＡプロセスを用いる精製ユニットにおいて精製し、および
ｆ）上記温められた第２の加圧流の少なくとも一部を、以下の工程、すなわち、冷却プロセスにおいて用いられる水を冷却する工程および精製ユニットを再生するために用いられるガスを温める工程の少なくとも１つにおいて用いる。
【００１５】
本発明は、以下の態様の１以上を含んでいてもよい。すなわち、
ａ）冷却プロセスは吸着プロセスであってよく、上記第１および第２の加圧流は水流である。  
ｂ）上記第１および第２の加圧流は、上記圧縮空気流との間接的な接触により気化し、第１および第２の蒸気流を生じる。  
ｃ）上記第１の加圧流は、上記第２の加圧流よりも高い圧力にある。  
ｄ）上記第１の温められた加圧流は、上記第２の温められた加圧流よりも高い圧力にある。  
ｅ）上記第２の温められた加圧流の少なくとも一部はタービン内で膨張する。  
ｆ）上記タービン内で膨張した上記第２の温められた加圧流の少なくとも一部が、上記タービンの中間段階に送られる。  
ｇ）上記第１および第２の加圧流に接触して冷却された空気は、上記のさらなる冷却および精製に続く空気分離ユニットに送られる。  
ｈ）上記第１および第２の加圧流に接触して冷却された空気は、少なくとも１つの水流と直接接触することにより冷却ユニットにおいてさらに冷却されて空気分離ユニットに送られ、かつ少なくとも１つの水流は、吸収タイプの冷凍（refrigeration）ユニットにおいて上記第２の温められた加圧流の少なくとも一部を用いることにより冷却される。  
ｉ）上記第１および第２の加圧流に接触して冷却された空気は、精製ユニットにおいて精製されて空気分離ユニットに送られ、上記空気分離ユニットは精製ユニットを再生させるために用いられる窒素富化流を生成し、かつ上記第２の温められた加圧流の少なくとも一部は、精製ユニットの上流の窒素富化流を温めるために用いられる。
【００１６】
さらに、本発明は空気の圧縮、冷却および精製のための一体化した装置を提供し、これは
ａ）空気流を圧縮して圧縮空気流を生成するための断熱コンプレッサと、
ｂ）少なくとも１つの熱交換器、および圧縮空気流、第１の圧力の第１の加圧流および第２の圧力の第２の加圧流を上記少なくとも１つの熱交換器に送り、第１の温められた加圧流、第２の温められた加圧流、および冷却された圧縮空気流を生成するための導管と、
ｃ）タービン、および上記第１の温められた加圧流を上記タービンに送るための導管と、
ｄ）上記タービンにより生じる仕事の少なくとも一部を上記断熱コンプレッサに伝達するための手段と、
ｅ）水との熱交換による冷却ユニット、および冷却された圧縮空気流を冷却ユニットに送り、さらに冷却された圧縮空気流を生成するための導管と、
ｆ）ＴＳＡプロセスを用いる精製ユニット、および精製ユニットに上記のさらに冷却された圧縮空気流を送るための導管と、
ｇ）上記温められた第２の加圧流の少なくとも一部を、上記冷却ユニットおよび精製ユニットの少なくとも１つに送るための導管
とを含む。
【００１７】
本発明は、さらに、１以上の以下の特徴を含んでいてもよい。すなわち、
ａ）タービン、および上記第２の温められた加圧流を上記タービンに送給するための導管、
ｂ）上記タービン内で膨張させた上記第２の温められた加圧流の少なくとも一部を、上記タービンの中間段階に送るための導管、および
ｃ）上記冷却ユニットは直接接触冷却ユニットであり、上記冷却ユニットに水を送るための導管、水を冷却するための吸収タイプの冷凍（refrigeration）ユニット、および上記第２の温められた加圧流の少なくとも一部を上記冷凍（refrigeration）ユニットに送るための導管。
【００１８】
本発明の１つの実施形態によれば、上記した装置、冷却ユニットおよび蒸留カラムシステムにおいて冷却される空気を冷却するためのさらなる熱交換器、上記カラムシステムのカラムに空気を送るための導管、並びに上記カラムシステムのカラムからの生成物を取り出すための導管を含む空気分離ユニットが提供される。
【００１９】
上記ユニットは熱交換器と、上記カラムシステムから上記熱交換器に、そこから精製ユニットに窒素富化流を送るための導管と、第２の温められた加圧流の少なくとも一部を熱交換器に送り、精製ユニットの上流の窒素富化流を温めるための導管を含むことができる。
【００２０】
断熱圧縮により発生する熱の経済的な利用は、空気分離において従来用いられていた多段階コンプレッサのものに相当する蒸気消費をもたらす。
【００２１】
図１において、断熱コンプレッサ１を用いて空気流２を圧縮する。７ｂａｒ絶対圧付近にまで圧縮した場合には、空気は約３５０℃の温度にある。その後空気を熱交換器３に送り、ここでこれを用いて２つの異なる圧力にある２つの水流３７、３９を加熱して２つの異なる圧力の蒸気流７、９を生じさせる。これは例えば５ｂａｒ絶対圧と３０ｂａｒ絶対圧である。生成すべき蒸気流の数に応じて、いくつかの熱交換器を交換器３と置き換えることができることが理解されるであろう。
【００２２】
熱交換器３内で冷却された空気４は冷却塔５の底部に送られ、ここでこれは２つの異なる地点で導入される水１５、１７との直接接触により熱を交換する。流１５は冷却塔に入る前に、吸収タイプの冷却ユニット３１内で、流９の少なくとも一部（図中では、部分的な流９Ｃを示す）を用いて冷却される。
【００２３】
その後冷却塔５内で冷却された空気１７は、精製ユニット８中で精製されて空気流４７を生じる。続いてこの流はさらに冷却されて、低温空気分離ユニット（これは任意の既知のタイプのもの）のカラムに送られる。
【００２４】
精製ユニットを、空気流４７が送られる空気分離ユニットにより生じる窒素富化流４５により定期的に再生する。この窒素富化流４５を、流９の少なくとも一部（図中では部分流９Ｂとして示す）を用いて好ましくは再生温度にまで温める。
【００２５】
タービン７には、好ましくは他の蒸気流１３と混合された第１の温められた加圧流７が供給され、タービンの入り口に送られる。流９の少なくとも一部（図中では部分流９Ａとして示す）が、タービン７の中間段階に送られる。
【００２６】
膨張した蒸気２３を凝縮させ、部分的な凝縮流９Ｂ、９Ｃのいずれかまたは双方とともに、続くポンプ輸送で交換器３の入り口へと再利用する。水流３７、３９は異なる圧力へとポンプで押し出してもよいし、または示すように両方の流を共通の圧力へとポンプで押し出し、一方の３９を膨張させてもよい。明らかであるが、両方の流を共通の圧力へとポンプで押し出し、さらに流３７をより高い圧力へとポンプで押し出すことも可能である。
【００２７】
図２に示すさらなる実施形態によれば、別個の交換器３は必要とされず、この交換器の機能は冷却塔５に組み込まれている。水流３７、３９とコンプレッサ１から直接的に入ってくる空気との間の熱交換は、冷却塔５の底部において起こる。冷却塔５は２つの区画に分けられる。すなわち、第１の区画５Ａでは、熱い空気４と水流３７、３９との間の間接的な接触が起こり、第２の区画５Ｂでは、第１の区画で冷却された空気と、第２の区画に導入される少なくとも１つの水流１５、１７との間の直接的な接触が起こる。バリヤ２１は、第２の区画を下に通過する水が第１の区画５Ａに浸入することを防止するが、空気が第１の区画から第２の区画５Ｂ中へと上に通過することを可能にする。
【００２８】
第１の区画５Ａにおいて、より高い圧力にある水流３７は最も温度が高い区画の底部にあるコイル１３７中を循環し、より低い圧力にある水流３９は上記コイル１３７の上部にある温度がより低い他のコイル１３９中を循環する。任意の数の水流および／またはコイルを用いてもよいことが理解されるであろう。
【００２９】
第２の区画５Ｂは、トレイ、規則充填物、不規則充填物または他の充填物を含み、空気と水との間の物質移動と熱伝達を可能にする。吸収タイプの冷却ユニット３１中で冷却した後の水流１５を塔の頂上に導入し、水流１７を第２の区画５Ｂの中間点に導入する。空気は第１の区画から第２の区画５Ｂに上昇し、ここで水との直接の熱伝達により冷却される。温められた水４１は第２の区画の底部において除かれた後、従来技術でよく知られる方法で冷却塔（図示せず）に再利用される。
【００３０】
図１の装置を用いる方法の例を説明する。ガスタービンはコンプレッサを有し、これは１０６Ｎｍ３／ｈの空気流、すなわち空気を圧縮し、１日に７０００トンを空気分離ユニットに供給する。
【００３１】
通常の操作において、コンプレッサ１は１１への空気を８ｂａｒの圧力にまで圧縮し、その回転速度は３，６００ｒｐｍである。
【００３２】
コンプレッサの低圧部を維持しさえすれば、コンプレッサは空気分離ユニットに供給するのに適するようになり、３，６００ｒｐｍの蒸気タービンにより作動することができる。
【００３３】
コンプレッサ出力が６ｂａｒならば、９１ＭＷ蒸気タービンがコンプレッサに動力を供給するためには必要とされる。実際の蒸気消費は７１ＭＷコンプレッサのものに等しい。
【００３４】
断熱エアコンプレッサに動力を供給するために、蒸気タービンに加えて電気モータを用いることができる。
【００３５】
以上で本発明の１つの実施形態を示して説明したが、多くの変形が、当業者によれば、本発明の意図および範囲から逸脱することなくなされるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す図。
【図２】本発明の第２の実施態様を示す図。
【図１】
2008525173.tif 000003
【図２】
2008525173.tif 000004
【国際調査報告】
2008525173.tif 000005
2008525173.tif 000006
2008525173.tif 000007