(57)【要約】  空気を分離するための方法及び装置において、ブースト圧力空気ストリームを用いた間接的な熱交換を介して超臨界圧力を有する加圧液体酸素ストリームを加熱することにより、超臨界酸素生成物が生成される。この間接的な熱交換は熱交換器内で実施され、液体窒素ストリームが熱交換器内で蒸発し、それにより、そうでなければ加圧液体酸素ストリームを加熱するのにブースト圧力空気ストリームに要求される圧力を低下させる。加圧液体酸素ストリームは、空気が精留されるところである空気分離ユニットから除去される酸素富化液体のうちの９０パーセントを構成し、液体窒素が、環流として使用されない液体窒素のうちの少なくとも９０パーセントを構成し、液体窒素ストリームと酸素富化液体との間の流量の比率が約０．３から０．９０の間である。
2014510247.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温精留プロセスにおいて空気を分離するステップを含む、空気を分離するための方法において、
前記空気を分離するステップは、
高圧塔及び低圧塔を有する空気分離ユニット内で、圧縮、浄化、及び冷却された空気を精留することと、
加圧液体酸素ストリームの少なくとも一部を加熱すること、及び熱交換器内での少なくともブースト圧力空気ストリームを用いた間接的な熱交換を介して液体窒素ストリームを蒸発させることと、
前記加圧液体酸素ストリームを生成するために、前記低圧塔内で生成される酸素富化液体塔底液から構成される酸素富化ストリームの少なくとも一部を加圧すること、及び環流として使用されない前記酸素富化液体塔底液を部分的に蒸発させるのに対して、前記高圧塔の窒素富化蒸気塔頂留出物を凝縮させることにより形成される窒素富化液体ストリームの一部から前記液体窒素ストリームを生成することと
を含み、
前記加圧液体酸素ストリームの前記少なくとも一部が超臨界圧力を有し、且つ超臨界流体として酸素生成物を生成するように超臨界温度まで加熱され、且つ前記酸素富化ストリームのうちの少なくとも約９０パーセントを構成し、前記液体窒素ストリームの前記少なくとも一部が超臨界圧力を有し、且つ前記窒素富化液体ストリームの前記一部のうちの少なくとも約９０パーセントを構成し、
前記液体窒素ストリーム、及び前記加圧液体酸素の前記少なくとも一部が、約０．３から約０．９０の間の比率の流量を有し、
前記ブースト圧力空気ストリームが所定のブースト圧力及び所定の流量を有し、前記ブースト圧力が、もし前記液体窒素ストリームによる前記熱交換器内での間接的な熱交換がなかったら前記流量で必要とされていたであろう圧力よりも低い
空気を分離するための方法。
【請求項２】
前記熱交換器がバンク型熱交換器構成の高圧熱交換器である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
アルゴン含有蒸気ストリームが前記低圧塔から除去されてアルゴン塔内で精留され、それによりアルゴン富化蒸気塔頂留出物及び酸素含有液体塔底液が生成され、
前記アルゴン富化蒸気塔頂留出物が凝縮され、それによりアルゴン環流ストリームが生成され、前記アルゴン環流ストリームが前記アルゴン塔内に導入され、
アルゴン富化生成物ストリームが前記アルゴン塔から除去され、
前記酸素含有液体塔底液から構成される酸素含有液体ストリームが前記低圧塔内に導入される
請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記高圧塔内で生成される粗製液体酸素塔底液から構成される粗製液体酸素ストリームが過冷却され、
過冷却後の前記粗製液体酸素ストリームの少なくとも一部がバルブにより膨張され、前記アルゴン塔に接続されるアルゴン・コンデンサ内に導入され、それにより前記アルゴン富化蒸気ストリームが凝縮され、それにより前記粗製液体酸素ストリームが部分的に蒸発し、気相及び液相が形成され、
前記気相及び前記液相から構成される気相ストリーム及び液相ストリームが前記低圧塔内に導入され、
前記ブースト圧力空気ストリームが液化されることにより形成される液体空気ストリームが膨張されて、第１の二次的な液体空気ストリームと第２の二次的な液体空気ストリームとに分割され、
前記第１の二次的な液体空気ストリームが前記高圧塔内に導入され、
前記第２の二次的な液体空気ストリームが前記アルゴン・コンデンサ内に導入されて過冷却され、
過冷却後の前記第２の二次的な液体空気ストリームが膨張されて、前記低圧塔内に導入される
請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記空気が、主空気圧縮機内で供給空気ストリームを圧縮して前記空気を前記圧縮後に予備浄化ユニット内で浄化することによりって圧縮及び浄化され、それにより圧縮及び浄化された空気ストリームが形成され、
前記圧縮及び浄化された空気ストリームの第１の部分が前記バンク型熱交換器構成の低圧熱交換器内で精留に適する温度まで冷却されて前記高圧塔内に導入され、
前記圧縮及び浄化された空気ストリームの第２の部分の少なくとも一部が昇圧圧縮機内で圧縮され、それにより前記ブースト圧力空気ストリームが形成される
請求項２又は請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記圧縮及び浄化された空気ストリームの第３の部分がさらに圧縮され、前記低圧熱交換器内で部分的に冷却され、ターボエキスパンダ内で膨張され、それにより排気ストリームが生成され、
前記排気ストリームが、前記圧縮及び浄化された空気ストリームの前記第１の部分と共に前記高圧塔内で精留される
請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記圧縮及び浄化された空気ストリームの前記第２の部分の前記一部が、前記ブースト圧力空気ストリームを形成する際に前記昇圧圧縮機内で圧縮され、
前記圧縮及び浄化された空気ストリームの前記第３の部分が、前記昇圧圧縮機の中間ステージ内で部分的に圧縮された後の前記圧縮及び浄化された空気ストリームの前記第２の部分の別の一部から構成され、且つ別の昇圧圧縮機内でさらに圧縮される
請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記窒素富化液体ストリームの別の部分が環流として前記高圧塔内に導入され、前記窒素富化液体ストリームより窒素純度が低い窒素含有環流ストリームが過冷却され、膨張され、環流として前記低圧塔に導入され、
前記低圧塔の塔頂留出物から構成される低圧窒素蒸気ストリームが、サブクーラ内で間接的な熱交換によって前記窒素含有環流ストリーム及び前記粗製液体酸素ストリームを過冷却し、
前記低圧窒素蒸気ストリームが第１及び第２の二次的な低圧窒素蒸気ストリームに分割され、これらがそれぞれ前記高圧熱交換器及び前記低圧熱交換器内に導入され、それによりコールド・エンドの温度の釣り合いがとられる
請求項５に記載の方法。
【請求項９】
前記液体窒素ストリーム及び前記窒素富化液体ストリームが等しい圧力を有する請求項５に記載の方法。
【請求項１０】
空気を分離するための装置において、
前記空気を精留するための高圧塔及び低圧塔を有する空気分離ユニットと、ブースト圧力空気ストリームから、超臨界圧力を有する加圧液体酸素ストリームの少なくとも一部及び液体窒素ストリームへと間接的に熱交換を行うように構成された熱交換器であって、それにより前記加圧液体酸素ストリームを超臨界温度まで加熱して超臨界流体として酸素生成物を形成し、且つ前記液体窒素ストリームを蒸発させて蒸気として窒素生成物を形成する熱交換器と、前記熱交換器と前記低圧塔との間に配置されるポンプであって、それにより、前記低圧塔内で生成される酸素富化液体塔底液から構成される酸素富化ストリームの少なくとも一部が前記超臨界圧力まで加圧され、且つ前記加圧液体酸素ストリームの前記少なくとも一部が前記酸素富化ストリームの少なくとも約９０パーセントを構成するポンプと、を含む低温空気分離プラント
を有し、
前記熱交換器が、前記高圧塔及び前記低圧塔に動作可能に連結される復水再沸器に流体連通され、それにより前記液体窒素ストリームが、前記復水再沸器内で前記酸素富化液体塔底液を部分的に蒸発させるのに対して、前記高圧塔の窒素富化蒸気塔頂留出物を凝縮させることによって生成される、環流としては使用されない窒素富化液体ストリームの一部のうちの少なくとも約９０パーセントで構成され、且つ臨界未満圧力を有し、
前記空気分離プラントは、前記液体窒素ストリーム及び前記加圧液体酸素ストリームの前記少なくとも一部が約０．３から約０．９０の間の比率の流量を有するように構成され、
前記ブースト圧力空気ストリームは昇圧圧縮機によって生成され、前記昇圧圧縮機は、前記ブースト圧力空気ストリームが所定の流量と、もし前記液体窒素ストリームによる前記熱交換器内での間接的な熱交換がなかったら前記流量で必要とされていたであろう圧力より低いブースト圧力とを有するように構成されている
装置。
【請求項１１】
前記熱交換器がバンク型熱交換器構成の高圧熱交換器である請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
アルゴン塔が前記低圧塔に接続され、それによりアルゴン含有蒸気ストリームが前記低圧塔から除去されて前記アルゴン塔内で精留され、それによりアルゴン富化蒸気塔頂留出物及び酸素含有液体塔底液が生成され、前記酸素含有液体塔底液から構成される酸素含有液体ストリームが前記低圧塔内に導入され、
アルゴン・コンデンサが前記アルゴン塔に接続され、それにより前記アルゴン富化蒸気塔頂留出物が凝縮され、それによりアルゴン環流ストリームが生成され、前記アルゴン環流ストリームが前記アルゴン塔内に導入され、
前記アルゴン塔が、前記アルゴン塔からアルゴン富化生成物ストリームを排出するための出口を有する
請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
過冷却ユニットが前記高圧塔に接続され、それにより、前記高圧塔内で生成される粗製液体酸素塔底液から構成される粗製液体酸素ストリームが過冷却され、
前記アルゴン・コンデンサが前記過冷却ユニットに接続され、第１のエキスパンション・バルブが前記アルゴン・コンデンサと前記過冷却ユニットとの間に配置され、それにより過冷却後の前記粗製液体酸素ストリームの少なくとも一部が過冷却の後に前記第１のエキスパンション・バルブによって膨張されて前記アルゴン・コンデンサ内に導入され、それにより前記アルゴン富化蒸気ストリームが凝縮され、それにより前記粗製液体酸素ストリームの前記少なくとも一部が部分的に蒸発されて気相及び液相が形成され、
前記アルゴン・コンデンサが前記低圧塔に接続され、それにより前記気相及び前記液相からそれぞれ構成される気相ストリーム及び液相ストリームが前記低圧塔内に導入され、
液体エキスパンダが前記高圧熱交換器に接続され、それにより前記ブースト圧力空気ストリームが液化されることによって生成される液体空気ストリームが膨張され、
前記液体エキスパンダが前記高圧塔及び前記アルゴン・コンデンサに接続され、それにより前記液体空気ストリームの一部から構成される第１の二次的な液体空気ストリームが前記高圧塔内に導入され、前記液体空気ストリームの別の一部から構成される第２の二次的な液体空気ストリームが前記アルゴン・コンデンサ内に導入され、
前記アルゴン・コンデンサが前記第２の二次的な液体空気ストリームを過冷却するように構成され、且つ前記低圧塔に接続され、それにより過冷却後の前記第２の二次的な液体空気ストリームが前記低圧塔内に導入され、
第２のエキスパンション・バルブが、前記アルゴン・コンデンサと前記低圧塔との間に配置され、それにより前記第２の二次的な液体空気ストリームをバルブにより膨張させる
請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
主空気圧縮機が供給空気ストリームを圧縮し、予備浄化ユニットが前記主空気圧縮機に接続され、それにより圧縮後に前記供給空気ストリームから圧縮及び浄化された空気ストリームが形成され、
前記バンク型熱交換器構成が前記予備浄化ユニットと前記高圧塔との間に配置される低圧熱交換器を有し、それにより前記圧縮及び浄化された空気ストリームの第１の部分が精留に適する温度まで冷却されて前記高圧塔内に導入され、
昇圧圧縮機が前記予備浄化ユニットと前記高圧熱交換器との間に配置され、それにより前記圧縮及び浄化された空気の第２の部分の少なくとも一部が前記昇圧圧縮機内でさらに圧縮され、それによりブースト圧力空気ストリームが形成される
請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記昇圧圧縮機が、前記圧縮及び浄化された空気ストリームの前記第２の部分の一部を圧縮し、それにより前記ブースト圧力空気ストリームが生成されるように、また前記昇圧圧縮機の中間ステージからの前記圧縮及び浄化された空気ストリームの前記第２の部分の別の一部から構成される前記圧縮及び浄化された空気ストリームの第３の部分を排出するように構成され、
別の昇圧圧縮機が前記中間ステージと前記低圧熱交換器との間に配置され、それにより前記圧縮及び浄化された空気ストリームの前記第３の部分がさらに圧縮されて前記低圧熱交換器内に導入され、
前記低圧熱交換器が前記圧縮及び浄化された空気ストリームの前記第３の部分を部分的に冷却するように構成され、
ターボエキスパンダが前記低圧熱交換器に接続され、それにより前記圧縮及び浄化された空気ストリームの前記第３の部分を膨張させ、それにより排気ストリームが生成され、
前記ターボエキスパンダが前記高圧塔に流体連通され、それにより前記圧縮及び浄化された空気ストリームの前記第１の部分と共に前記排気ストリームが前記高圧塔内で精留される
請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記復水再沸器が前記高圧塔に接続され、それにより前記窒素富化液体ストリームの別の一部が環流として前記高圧塔内に導入され、
前記過冷却ユニットが前記高圧塔に接続され、それにより前記窒素富化液体ストリームより窒素純度が低い窒素含有環流ストリームが前記高圧塔から排出されて前記過冷却ユニット内で過冷却され、
前記過冷却ユニットが前記低圧塔に接続され、それにより前記窒素含有環流ストリームが環流として前記低圧塔に導入され、
第３のエキスパンション・バルブが前記サブクーラと前記低圧塔との間に配置され、それにより前記窒素含有環流ストリームが前記第３のエキスパンション・バルブ内で膨張され、
前記サブクーラがまた、前記低圧塔に接続され、それにより前記低圧塔の塔頂留出物から構成される低圧窒素蒸気ストリームが間接的な熱交換を介して前記窒素含有環流ストリーム及び前記粗製液体酸素ストリームを過冷却し、
前記高圧熱交換器及び前記低圧熱交換器が前記サブクーラに接続され、それにより前記低圧窒素蒸気ストリームから構成される第１及び第２の二次的な低圧窒素蒸気ストリームがそれぞれ前記高圧熱交換器及び前記低圧熱交換器内に導入され、それにより温度の釣り合いがとられる
請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記高圧熱交換器が前記復水再沸器に流体連通され、それにより、前記液体窒素ストリーム及び前記窒素富化液体ストリームが等しい圧力を有する請求項１１又は請求項１６に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気を分離するための方法及び装置であって、超臨界圧力を有する加圧（ｐｕｍｐｅｄ）液体酸素ストリームを生成するために酸素富化液体が加圧され、加圧液体酸素ストリームは次いで、超臨界流体としての酸素生成物を生成するためにブースト圧力（ｂｏｏｓｔｅｄ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ）空気ストリームを用いて間接的な熱交換を行うことにより超臨界温度まで温められる方法及び装置に関するものである。より詳細には、本発明は上記のような方法及び装置において、加圧液体ストリームが加熱されるのと同時に液体窒素ストリームが気化（蒸発）され、それによって、そうでなければ加圧液体酸素ストリームを単独で加熱するのにブースト圧力空気ストリームに要求される圧力を低下させる方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
主として、非常に高圧の超臨界酸素のための気化器の需要により、非常に高圧の超臨界酸素の市場が新たに生まれている。通常、酸素は空気を深冷分離することにより生成される。このような低温精留によって生成される酸素は適度な運転圧力で生成されて圧縮され得るが、多くの場合、液体酸素ストリームは低温精留プラント内で超臨界圧力まで加圧され、次いで、超臨界流体として酸素生成物を生成するためにブースト圧力空気ストリームを用いて間接的な熱交換を行うことにより超臨界温度まで加熱される。
【０００３】
低温精留プラントでは、供給空気ストリームが圧縮されて、湿気、二酸化炭素、一酸化炭素及び炭化水素などの高沸点の汚染物質から浄化され、その結果、圧縮及び浄化された空気ストリームが生成される。このような空気ストリームの一部は、少なくとも１つの高圧熱交換器と少なくとも１つの低圧熱交換器とから構成されるバンク型（ｂａｎｋｅｄ）熱交換器構成の低圧熱交換器内で冷却され得る。バンク型熱交換器構成では、高圧熱交換器が、加圧液体酸素ストリームを、高圧の昇圧空気ストリームを用いて間接的に熱伝達することにより超臨界温度まで加熱するために設けられる。このような熱交換器のバンキングを使用することにより製造コストが節約される。というのは、高い酸素圧力に耐え得るように、さらには、酸素を加熱するのに必要となる昇圧空気ストリームのさらに高い圧力に耐え得るように製造されなければならないのは高圧熱交換器のみであるからである。いずれの場合も、低圧熱交換器からの冷却された空気は、次いで、熱伝達関係にある高圧塔及び低圧塔を有する空気分離ユニット内に導入され、それにより空気が精留され、窒素・酸素富化留分が得られる。このような空気分離ユニットはまた、アルゴン含有蒸気ストリームを精留して、アルゴン富化生成物を得るため、又は粗製（ｃｒｕｄｅ）アルゴンとして当技術分野で知られる中間アルゴン生成物を得るために、低圧塔に接続されるアルゴン塔を含むことができる。
【０００４】
これらの高圧塔及び低圧塔は、液相と気相を接触させるための、トレイ又は成形充填物などの物質移動接触要素、或いはそのような物質移動接触要素の組み合わせを包含し、それらにより塔内で連続蒸留を行うことを実現する。高圧塔に入る空気は、空気が高圧塔を上昇するにつれて常に窒素含有率の高い上昇気相を生成し、それにより塔頂留出物として窒素富化蒸気が生成される。次に、この窒素富化蒸気は凝縮されて窒素富化液体になり、窒素富化液体の一部は高圧塔を環流するのに使用され、降下液相が開始し、この降下液相は物質移動接触要素内で上昇気相に接触し、それによりこれらの液相が降下するにつれてより多くの酸素を含有するようになる。その結果、高圧塔内に、ケトル液（ｋｅｔｔｌｅ  ｌｉｑｕｉｄ）としても知られる粗製液体酸素塔底液（ｃｏｌｕｍｎ  ｂｏｔｔｏｍ）が生成される。このような液体の塔底液は低圧塔内でさらに精製され、また、アルゴン塔が存在する場合は、低圧塔内に導入される前にアルゴン塔内でアルゴン富化蒸気を凝縮させるための熱伝達媒体として働く。このようにさらに精製が行われることにより、低圧塔内に酸素富化液体塔底液が生成され、さらには、窒素を多く含有する塔頂留出物が生成される。次いで、酸素富化液体のストリームは除去及び加圧されて加圧液体酸素ストリームとなり、その少なくとも一部が、酸素生成物を形成するために高圧熱交換器内に導入される。
【０００５】
高圧塔と低圧塔との間のこのような熱交換関係は、低圧塔の液だめ内に配置され得る復水再沸器（ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ  ｒｅｂｏｉｌｅｒ）によって形成される。高圧塔の窒素富化蒸気塔頂留出物のストリームが凝縮されると窒素富化液体が生成され、この窒素富化液体の一部は高圧塔の環流として働く。このような凝縮は、低圧塔の酸素富化液体塔底液を用いた間接的な熱交換を介して行われ、それによりこれらの液体は低圧塔内で沸騰してボイルアップ（ｂｏｉｌｕｐ）を生成する。この窒素富化液体の一部は生成物として取り出され得、実際には、加圧されて、加圧液体酸素ストリームと共に高圧熱交換器内に導入される。米国特許出願公開第２００８／０３０７８２８号では、加圧された酸素ストリーム及び窒素ストリームの両方がバンク型熱交換器構成の高圧熱交換器を通過し、それにより超臨界流体として酸素生成物が生成され、さらには、加圧窒素ストリームが蒸発してそれにより所定の圧力の窒素蒸気生成物が生成される。
【０００６】
超臨界圧力における酸素の生成では、高圧熱交換器は、加熱される酸素ストリームよりさらに高い圧力にも耐え得るように建設されなければならない。例えば、１２０バール（絶対）の酸素が超臨界温度まで加熱される場合、ブースト圧力空気ストリームは最適には１６０バール（絶対）程度の圧力を有する。ここでの問題は、昇圧空気ストリームの圧力に耐え得るような熱交換器を製造するためのコストが法外に高くなる可能性があること、さらには、やはり同様の非常に高い圧力を定格としなければならない付随する配管及びバルブのコストも法外に高くなる可能性があることである。加えて、圧力に応じてインライン・バレル型（ｉｎｌｉｎｅ  ｂａｒｒｅｌ）圧縮機が必要になる可能性があり、このようなインライン・バレル型圧縮機はより低い圧力で使用され得る一体型圧縮機より効率が低いことから、エネルギー・コストも増大する可能性がある。最後に、このようなシステムを起動させる際、非常に高い圧力において耐圧試験が失敗することが非常に重大な事態になる可能性もある。
【０００７】
したがって、加圧液体酸素を超臨界温度まで加熱するのに必要であるブースト圧力空気ストリームの圧力を最小化することが必要とされる。
【０００８】
後で考察するように、本発明は、熱交換器内で超臨界圧力の加圧液体酸素ストリーム及び液体窒素ストリームの両方を温めることを伴う、空気を分離するための方法及び装置を提供し、ここでは、蒸発することになる液体窒素の流量が、そうでなければブースト圧力空気ストリームに要求されるであろう圧力より低い圧力で運転するのを可能にするのに十分な流量である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／０３０７８２８号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一観点では、本発明は空気を分離するための方法を提供し、ここでは、低温精留プロセスにおいて空気が分離される。このプロセスでは、圧縮され、浄化され、冷却された空気が高圧塔及び低圧塔を有する空気分離ユニット内で精留され、加圧液体酸素ストリームの少なくとも一部が加熱され、液体窒素ストリームがブースト圧力空気ストリームを用いた間接的な熱交換を介して気化（蒸発）される。低圧塔内で生成される酸素富化液体塔底液から構成される酸素富化ストリームの少なくとも一部が加圧され、それにより加圧液体酸素ストリームが生成される。液体窒素ストリームは、酸素富化液体塔底液の一部が蒸発するのに対して、高圧塔の窒素富化蒸気塔頂留出物を凝縮させることによって形成される、環流としては使用されない窒素富化液体ストリームの一部から生成される。
【００１１】
加圧液体酸素ストリームのこの少なくとも一部は超臨界圧力を有し、超臨界温度まで加熱され、それにより超臨界流体として酸素生成物が生成される。加圧液体酸素ストリームのこの少なくとも一部は酸素富化ストリームのうちの少なくとも約９０パーセントを構成し、液体窒素ストリームのこの少なくとも一部は臨界未満圧力を有し、窒素富化液体ストリームのこの一部のうちの少なくとも約９０パーセントを構成する。液体窒素ストリーム及び加圧液体酸素ストリームのこの少なくとも一部は０．３から０．９０の間の比率の流量を有する。ブースト圧力空気ストリームは１つのブースト圧力及び１つの流量を有する。ブースト圧力は、もし液体窒素ストリームによる熱交換器内での間接的な熱交換がなければ上記の流量で要求されるであろう圧力よりも低い。
【００１２】
本明細書の発明者らは、特定の運転条件下で、加圧液体酸素ストリームを加熱することと共に液体窒素ストリームを蒸発させることが、複合冷却曲線の形状に大きく影響することを発見した。酸素回収に著しく影響せず且つ十分な量の環流が確実に得られるように選択される比率の上限は０．９０であり、また、ブースト圧力空気ストリームのために必要となる圧力が十分に低減されなくなってしまう下限の比率は０．３である。
【００１３】
加熱曲線及び冷却曲線が、冷却されるブースト圧力空気ストリーム及び任意の別のストリームから、加熱される温度上昇酸素・温度上昇／蒸発窒素ストリーム並びに任意の別のストリームへの全体の熱伝達を表すことに留意されたい。複合曲線は、複数の温度低下ストリーム（「高温」ストリーム）を１つの曲線に集約し、さらに、複数の温度上昇ストリーム（「低温」ストリーム）を１つのストリームに集約する。熱交換器内の所与の温度では、複合曲線は次のように定義される。すなわち、高温ストリーム又は低温ストリームの各々のエネルギー変化の合計が高温又は低温複合曲線のそれぞれの負荷（ｄｕｔｙ）を定める。同時に熱を伝達する２つ以上のストリームを用いた熱交換器の分析を単純化及び理想化するのに、複合曲線が使用される。
【００１４】
加圧液体酸素ストリームを加熱することに加えて、同時に高圧熱交換器内の液体窒素ストリームを蒸発させることの効果は、複合冷却曲線の形状が次ぎのように変化することである。すなわち、設計者は、酸素ストリームのみが高圧熱交換器内で加熱されるストリームである場合に、そうでなければ超臨界圧力で酸素ストリームを超臨界温度まで加熱するのにブースト圧力空気ストリームに要求される圧力を低減することが可能となる。この点に関して、非バンク型の熱交換器構成では、温められる又は冷却されるすべてのストリームが、ほとんどの実際的な用途において並列の一連の熱交換器である単一の熱交換器内で間接的な熱交換を受ける。設計者がブースト圧力空気ストリームの圧力を低減することを所望する場合、このストリームの流量を増加させなければならないという問題が発生する。液体窒素ストリームが蒸発する場合では、これらの曲線形状が変化することにより、ブースト圧力空気ストリームの流量が、このような液体窒素ストリームが存在しない場合の流量より少なくさせることができる。流量が増加すると生成される液体空気が増加し、塔性能が低下し、最終的には塔を運転することが不可能となる。これらのすべての熱交換が１つの高圧熱交換器内で行われるようなバンク型では、液体窒素が蒸発することにより、液体酸素が超臨界流体になるところの熱交換器内の温度である合理的なアプローチ温度で熱交換器を機能させることが可能となり、これは通常は５ケルビン未満である。液体窒素が存在しない場合、液体窒素を用いる場合に必要となる流量では熱交換器が機能しないことに加えて、極限の運転状態において、加熱曲線及び冷却曲線が実際に交差してしまい、それにより熱交換器を運転することができなくなる。
【００１５】
上で示したように、加圧液体酸素ストリームの少なくとも一部が加熱され得、また、液体窒素ストリームが、ブースト圧力空気ストリームを用いた間接的な熱交換を介してバンク型熱交換器構成の高圧熱交換器内で蒸発され得る。
【００１６】
アルゴン含有蒸気ストリームが低圧塔から除去されてアルゴン塔内で精留され得、それによりアルゴン富化蒸気塔頂留出物及び酸素含有液体塔底液が生成される。アルゴン富化蒸気塔頂留出物が凝縮され、それによりアルゴン環流ストリームが生成され、このアルゴン環流ストリームはアルゴン塔内に導入される。アルゴン富化生成物ストリームがアルゴン塔から除去され、酸素含有液体塔底液から構成される酸素含有液体ストリームが低圧塔内に導入される。特定の実施例では、高圧塔内で生成される粗製液体酸素塔底液から構成される、粗製液体酸素ストリームが過冷却される。過冷却後の粗製液体酸素ストリームの少なくとも一部がバルブにより膨張され、アルゴン塔に接続されるアルゴン・コンデンサ（ａｒｇｏｎ  ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ）内に導入され、それによりアルゴン富化蒸気ストリームが凝縮され、それにより粗製液体酸素ストリームが部分的に蒸発し、気相及び液相が形成される。これらの気相及び液相からそれぞれ構成される気相ストリーム及び液相ストリームが低圧塔内に導入され、ブースト圧力空気ストリームが液化されることにより形成される液体空気ストリームが膨張され、第１の二次的な液体空気ストリームと第２の二次的な液体空気ストリームとに分割される。第１の二次的な液体空気ストリームが高圧塔内に導入され、第２の二次的な液体空気ストリームがアルゴン・コンデンサ内に導入されて過冷却される。過冷却後の第２の二次的な液体空気ストリームが膨張されて低圧塔内に導入される。
【００１７】
この空気は、主空気圧縮機内で供給空気ストリームを圧縮してその空気を圧縮後に予備浄化ユニット内で浄化することにより圧縮及び浄化され得、それにより圧縮及び浄化された空気ストリームが形成される。圧縮及び浄化された空気ストリームの第１の部分がバンク型熱交換器構成の低圧熱交換器内で精留に適する温度まで冷却されて高圧塔内に導入される。圧縮及び浄化された空気ストリームの第２の部分の少なくとも一部が、ブースト圧力空気ストリームを形成する際に昇圧圧縮機内で圧縮される。圧縮及び浄化された空気ストリームの第３の部分がさらに圧縮され得、低圧熱交換器内で部分的に冷却され得、ターボエキスパンダ内で膨張され得、それにより排気ストリームが生成される。排気ストリームは圧縮及び浄化された空気ストリームの第１の部分と共に高圧塔内で精留される。圧縮及び浄化された空気ストリームの第２の部分の一部は、ブースト圧力空気ストリームを形成する際に昇圧圧縮機内で圧縮され得る。この場合、圧縮及び浄化された空気ストリームの第３の部分は、昇圧圧縮機の中間ステージ内で部分的に圧縮された後の圧縮及び浄化された空気ストリームの第２の部分の別の一部から構成され、別の昇圧圧縮機内でさらに圧縮される。
【００１８】
窒素富化液体ストリームの別の一部が環流として高圧塔内に導入され得、窒素富化液体ストリームより窒素純度が低い窒素含有環流ストリームが過冷却され得、膨張され得、環流として低圧塔に導入され得る。低圧塔の塔頂留出物から構成される低圧窒素蒸気ストリームが、サブクーラ内で間接的な熱交換を介して窒素含有環流ストリーム及び粗製液体酸素ストリームを過冷却するのに使用され得る。低圧窒素蒸気ストリームは第１及び第２の二次的な低圧窒素蒸気ストリームに分割され、これらはそれぞれ高圧熱交換器及び低圧熱交換器内に導入され、それによりコールド・エンドの温度の釣り合いがとられる。
【００１９】
本発明のいずれの実施例においても、液体窒素ストリーム及び窒素富化液体ストリームは等しい圧力を有することができる。しかし、本発明が、液頭又はポンプにより液体窒素ストリームの圧力を増加させることができることを企図していることを理解されたい。
【００２０】
本発明の別の観点では、低温空気分離プラントを含む、空気を分離するための装置が提供される。このようなプラントは、空気を精留するための、高圧塔及び低圧塔を有する空気分離ユニットと、空気分離ユニットに流体連通される熱交換器と、ポンプとを含む。熱交換器は、ブースト圧力空気ストリームから、超臨界圧力を有する加圧液体酸素ストリームの少なくとも一部及び液体窒素ストリームへと間接的に熱交換を行うように構成され、それにより加圧液体酸素ストリームが超臨界温度まで加熱され、超臨界流体として酸素生成物が形成され、また液体窒素ストリームが蒸発して蒸気としての窒素生成物が形成される。ポンプは熱交換器と低圧塔との間に配置され、それにより低圧塔内で生成される酸素富化液体塔底液から構成される酸素富化ストリームの少なくとも一部が超臨界圧力まで加圧され、加圧液体酸素ストリームの少なくとも一部が酸素富化ストリームの少なくとも約９０パーセントを構成するようになる。
【００２１】
熱交換器は高圧塔及び低圧塔に動作可能に連結される復水再沸器に流体連通され、それにより液体窒素ストリームは、復水再沸器内で酸素富化液体塔底液の一部が蒸発するのに対して、高圧塔の窒素富化蒸気塔頂留出物を凝縮させることによって生成される、環流としては使用されない窒素富化液体ストリームの一部のうちの少なくとも約９０パーセントから構成される。このような液体窒素ストリームは臨界未満圧力を有する。空気分離プラントは次のように構成される。すなわち、液体窒素ストリーム及び加圧液体酸素ストリームの少なくとも一部が０．３から０．９０の間の比率の流量を有する。ブースト圧力空気ストリームは、次のように構成される昇圧圧縮機によって生成される。すなわち、ブースト圧力空気ストリームが、１つの流量と、もし液体窒素ストリームによる熱交換器内での間接的な熱交換がなければ上記の流量で必要とされるであろう圧力より低いブースト圧力とを有する。
【００２２】
熱交換器は、低圧熱交換器をさらに有するバンク型熱交換器構成の高圧熱交換器であってよい。
【００２３】
アルゴン塔が低圧塔に接続されてよく、ここでは、アルゴン含有蒸気ストリームが低圧塔から除去されてアルゴン塔内で精留され、それによりアルゴン富化蒸気塔頂留出物及び酸素含有液体塔底液が生成される。酸素含有液体塔底液から構成される酸素含有液体ストリームが低圧塔内に導入される。アルゴン・コンデンサがアルゴン塔に接続され、ここでは、アルゴン富化蒸気塔頂留出物が凝縮されてそれによりアルゴン環流ストリームが生成され、このアルゴン環流ストリームはアルゴン塔内に導入され、ここでは、このアルゴン塔はアルゴン塔からアルゴン富化生成物ストリームを排出するための出口を有する。特定の実施例では、過冷却ユニットが高圧塔に接続され得、ここでは、高圧塔内で生成される粗製液体酸素塔底液から構成される粗製液体酸素ストリームが過冷却される。アルゴン・コンデンサがこの過冷却ユニットに接続され、第１のエキスパンション・バルブがアルゴン・コンデンサと過冷却ユニットとの間に配置され、ここでは、過冷却後の粗製液体酸素ストリームの少なくとも一部が第１のエキスパンション・バルブによって膨張されてアルゴン・コンデンサ内に導入され、それによりアルゴン富化蒸気ストリームが凝縮され、粗製液体酸素ストリームのこの少なくとも一部が部分的に蒸発され、気相及び液相が形成される。アルゴン・コンデンサはまた、低圧塔に接続され、ここでは、気相及び液相からそれぞれ構成される気相ストリーム及び液相ストリームが低圧塔内に導入される。液体エキスパンダが高圧熱交換器に接続され、ここでは、ブースト圧力空気ストリームが液化されることによって生成される液体空気ストリームが膨張される。この液体エキスパンダは高圧塔及びアルゴン・コンデンサに接続され、それにより液体空気ストリームの一部から構成される第１の二次的な液体空気ストリームが高圧塔内に導入され、液体空気ストリームの別の一部から構成される第２の二次的な液体空気ストリームがアルゴン・コンデンサ内に導入される。アルゴン・コンデンサは第２の二次的な液体空気ストリームを過冷却するように構成され、また過冷却後の第２の二次的な液体空気ストリームを低圧塔内に導入するために低圧塔に接続される。第２の二次的な液体空気ストリームをバルブにより膨張させるために、第２のエキスパンション・バルブがアルゴン・コンデンサと低圧塔との間に配置される。
【００２４】
供給空気ストリームを圧縮するために主空気圧縮機が設けられてもよく、圧縮後に供給空気ストリームから圧縮及び浄化された空気ストリームを形成するために、予備浄化ユニットが主空気圧縮機に接続されてよい。このバンク型熱交換器構成は予備浄化ユニットと高圧塔との間に配置される低圧熱交換器を有し、ここでは、圧縮及び浄化された空気ストリームの第１の部分が精留に適する温度まで冷却されて高圧塔内に導入される。昇圧圧縮機が予備浄化ユニットと高圧熱交換器との間に配置され、ここでは、圧縮及び浄化された空気の第２の部分の少なくとも一部が昇圧圧縮機内でさらに圧縮され、それによりブースト圧力空気ストリームが形成される。この昇圧圧縮機は、ブースト圧力空気ストリームを生成することを目的として、圧縮及び浄化された空気ストリームの第２の部分の一部を圧縮するように、さらには昇圧圧縮機の中間ステージからの圧縮及び浄化された空気ストリームの第２の部分の別の一部から構成される圧縮及び浄化された空気ストリームの第３の部分を排出するように構成され得る。別の昇圧圧縮機が中間ステージと低圧熱交換器との間に配置され、ここでは、圧縮及び浄化された空気ストリームの第３の部分がさらに圧縮されて低圧熱交換器内に導入される。低圧熱交換器は圧縮及び浄化された空気ストリームの第３の部分を部分的に冷却するように構成され、ターボエキスパンダが、圧縮及び浄化された空気ストリームの第３の部分を膨張させてそれにより排気ストリームを生成するために、低圧熱交換器に接続される。このターボエキスパンダは高圧塔に流体連通され、ここでは、圧縮及び浄化された空気ストリームの第１の部分と共に排気ストリームが高圧塔内で精留される。
【００２５】
復水再沸器が高圧塔に接続され、ここでは、窒素富化液体ストリームの別の一部が環流として高圧塔内に導入される。過冷却ユニットが高圧塔に接続され、ここでは、窒素富化液体ストリームより窒素純度が低い窒素含有環流ストリームが高圧塔から排出されて過冷却ユニット内で過冷却される。この過冷却ユニットは低圧塔に接続され、ここでは、窒素含有環流ストリームが環流として低圧塔に導入される。第３のエキスパンション・バルブがサブクーラと低圧塔との間に配置され、ここでは、窒素含有環流ストリームが第３のエキスパンション・バルブ内で膨張される。サブクーラはまた低圧塔に接続され、ここでは、低圧塔の塔頂留出物から構成される低圧窒素蒸気ストリームが間接的な熱交換を介して窒素含有環流ストリーム及び粗製液体酸素ストリームを過冷却する。高圧熱交換器が低圧塔に接続され、低圧熱交換器がサブクーラに接続され、ここでは、低圧窒素蒸気ストリームから構成される第１及び第２の二次的な低圧窒素蒸気ストリームがそれぞれ高圧熱交換器及び低圧熱交換器内に導入され、それにより温度の釣り合いがとられる。
【００２６】
高圧熱交換器は復水再沸器に流体連通され得、ここでは、液体窒素ストリーム及び窒素富化液体ストリームが等しい圧力を有する。
【００２７】
本明細書は、出願人がそれらの発明とみなす主題を明確に示す特許請求の範囲で締めくくるが、本発明は添付図面と併せて読むことによってより良く理解されると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明による方法を実施するように設計された装置を示す概略的なプロセス流れ図である。
【図２】昇圧空気ストリームを圧縮するのに適した圧力での、酸素対窒素の比率の効果を示すグラフである。
【図３】本発明に従って構成されて動作する空気分離プラントの熱交換器における複合加熱曲線及び複合冷却曲線を示すグラフである。
【図４】酸素対窒素の比率がゼロである状態で動作する空気分離プラントの熱交換器における複合加熱曲線及び複合冷却曲線を示すグラフである。
【図５】酸素対窒素の比率が本明細書で規定される比率未満である状態で動作する空気分離プラントの熱交換器における複合加熱曲線及び複合冷却曲線を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１を参照すると、圧縮及び浄化された空気を分離してそれにより超臨界流体として酸素生成物を生成するように設計された低温精留プラント１が示されている。低温精留プラント１は、バンク型（ｂａｎｋｅｄ）熱交換器構成２及び空気分離ユニット３を備える。空気分離ユニット３は、好適には、後で考察する理由により、アルゴン生成物を生成するためのアルゴン塔６２を備える。バンク型熱交換器構成２は、その高圧熱交換器２８より低い平均圧力で動作する低圧熱交換器２２を有する。酸素生成物は、酸素生成物ストリーム１３２として高圧熱交換器２８から排出される。加えて、窒素生成物ストリーム１３４がやはり高圧熱交換器２８から排出される。しかし、本発明が、非バンク型熱交換器構成のみを採用し且つそこではアルゴン塔が使用されないような低温精留プラントにも等しく適用されることを理解されたい。上で説明したように資本コストが低くなるという理由からバンク型の構成が好適であり、またバンク型の構成では、すべてのストリームが間接的な熱交換関係にある完全な一体型の構成と比較してエネルギー損失が低減される。というのは、完全な一体型の構成では、利用可能な冷却の一部が回復され得ないからである。この点に関して、本発明は、その広い範囲の観点において、高圧塔及び低圧塔を利用し、超臨界流体として酸素生成物を生成するように設計される任意の低温精留プラントに対して適用される。
【００３０】
低温精留プラント１では、供給空気ストリーム１０が圧縮機１２内で圧縮され、それにより圧縮空気ストリーム１４が生成される。後置冷却器１６により、圧縮の熱が圧縮空気ストリーム１４から除去される。圧縮機１２は、凝縮物除去機能を備えるマルチステージの中間冷却一体型ギヤ圧縮機（ｍｕｌｔｉ−ｓｔａｇｅ  ｉｎｔｅｒｃｏｏｌｅｄ  ｉｎｔｅｇｒａｌ  ｇｅａｒ  ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）を構成してもよく、したがって後置冷却器（アフタークーラー）１６が圧縮機１２の一部であってもよいことを理解されたい。いずれの場合も、後置冷却器１６さらには言及する別の後置冷却器により、予備浄化又は熱交換などの下流側のユニットの動作の効率を向上させることが可能となる。しかし、本発明の一実施例はこのような後置冷却器を用いずに構成されることも可能である。
【００３１】
次いで、圧縮空気ストリーム１４が予備浄化ユニット１８内に導入され、それにより空気から、水蒸気、二酸化炭素及び炭化水素などの高沸点の不純物が除去され、圧縮及び浄化された空気ストリーム２０が生成される。当技術分野でよく知られているように、このようなユニット１６は、温度及び圧力スイング吸着作用の組み合わせ、或いは純粋な温度スイング吸着サイクル又は圧力スイング吸着サイクルである１つのサイクルで動作する吸着剤層を内蔵することができる。
【００３２】
バンク型熱交換器構成２は、予備浄化ユニット１８と空気分離ユニット３の高圧塔５８との間に配置される低圧熱交換器２２を有し、ここで圧縮及び浄化された空気ストリーム２０の第１の部分２４が精留に適する温度まで冷却され、高圧塔５８内に導入される。昇圧圧縮機２６が予備浄化ユニット１８とバンク型熱交換器構成２の高圧熱交換器２８との間に配置され、ここで圧縮及び浄化された空気の第２の部分３０の一部が昇圧圧縮機２６内でさらに圧縮され、それによりブースト圧力空気ストリーム３２が形成される。昇圧圧縮機２６はマルチステージ一体型圧縮機である。後置冷却器３４により圧縮の熱が除去された後、ブースト圧力空気ストリーム３２が高圧熱交換器２８内に導入される。昇圧圧縮機２６は、当技術分野でよく知られる手法により、本発明で必要となるようなブースト圧力空気ストリーム３２の流量及び圧力を得るように構成される。この点に関して、昇圧圧縮機２６は、必要となる圧力及び流量（ｆｌｏｗ）を提供する能力を有するために適切なサイズを有する必要があり、入口案内翼などの手段以外でその圧力出力及び流量を制御するための適切な制御装置と、下流側の制御装置とを内蔵している。
【００３３】
主空気圧縮機１２及び昇圧圧縮機２６が単一のユニットとして示されていることに留意されたい。しかし、当技術分野で知られているように、主空気圧縮機１２又は昇圧圧縮機２６を形成するために２つ以上の圧縮機が並列に設置されてもよい。２つの圧縮機のサイズは等しくても等しくなくてもよい。例えばこの能力は顧客の要求に適切に適合するように７０／３０又は６０／４０の比であってよい。通常、圧縮及び浄化された空気ストリーム２０の第２の部分３０は、圧縮及び浄化された空気ストリーム２０の流量のうちの約２５パーセントから約４０パーセントの間の範囲の流量を有する。
【００３４】
高圧熱交換器２８及び低圧熱交換器２２は共に、好適には、ろう付けアルミニウム構成であり、加熱及び冷却されるストリームのための流れ通路を形成するためにサイド・バーによって分離されたパーティング・シートの複数の層から構成される。これらの流れ通路は、各々が、上記の熱交換器内での熱伝達のための表面積を拡張するために当技術分野でよく知られるフィンを備える。高圧熱交換器２８がこのように称されるのは、高圧熱交換器２８が低圧熱交換器２２と比較してより高い最高使用圧力を有するからである。高圧熱交換器２８は、液体空気ストリーム３６を生成するためにブースト圧力空気ストリーム３２を完全に冷却するように構成され、低圧熱交換器２２は、主供給空気ストリーム３８を生成するために圧縮及び浄化された空気ストリーム２０の第１の部分２４を完全に冷却するように構成される。この点に関して、本明細書及び特許請求の範囲で使用される「完全に冷却される」という用語は、低圧熱交換器２２又は高圧熱交換器２８のコールド・エンドの温度まで冷却されることを意味する。
【００３５】
別のタイプの熱交換器が使用されてもよく、例えば高圧熱交換器２８は、銅又はステンレス鋼のスパイラル型、ステンレス鋼の印刷回路、或いはステンレス鋼のプレート−フィン構成であってもよい。さらに、上で示したように、本発明は、１つの熱交換器、又は並列の１組の熱交換器の各々が、ブースト圧力空気ストリーム３２を液化すること及び圧縮及び浄化された空気ストリーム２０の第１の部分２４を冷却することの両方に使用されるような、非バンク型の構成にも適用され得る。また、高圧熱交換器２８及び低圧熱交換器２２の各々は単一ユニットとして示されるが、実際には、各々が、並列に一体に連結されるいくつかの個別の熱交換器ブロック又はコアから構成されてもよい。
【００３６】
圧縮及び浄化された空気ストリーム２０の第２の部分３０の別の一部を構成する、圧縮及び浄化された空気ストリーム２０の第３の部分４０が昇圧圧縮機２６内で部分的に圧縮されて次いでその中間ステージから除去される。圧縮及び浄化された空気ストリーム２０の第３の部分４０は、次いで別の昇圧圧縮機４２内に導入され、後置冷却器４４内で冷却されてそれにより圧縮の熱が除去され、さらに、低圧熱交換器２２内で部分的に冷却され、ターボエキスパンダ４６内に導入され、それにより排気ストリーム４８が生成される。本明細書及び特許請求の範囲で使用される「部分的に冷却される」という用語は、低圧熱交換器２２のウォーム・エンドの温度とコールド・エンドの温度との間のある温度まで冷却されることを意味する。排気ストリーム４８は、圧縮及び浄化された空気ストリーム２０の第１の部分２４と共に、組み合わせのストリーム５０として、高圧塔５８内に導入される。ターボエキスパンダからエネルギーが回収され、このエネルギーは昇圧圧縮機４２に適用される。この目的は、低温空気分離プラントでの冷却の需要の一部を生み出すことである。当技術分野で知られるように、このような冷却は、低圧熱交換器２２及び高圧熱交換器２８でのウォーム・エンド・ロス（ｗａｒｍ  ｅｎｄ  ｌｏｓｓ）と、熱の内部漏洩による損失（ｈｅａｔ  ｉｎ−ｌｅａｋ  ｌｏｓｓ）とを原因として、さらには、プラントが液体を生成するのを可能にすることを目的として行われる。圧縮及び浄化された空気ストリーム２０の第３の部分４０が高圧熱交換器２８内で部分的に冷却されるような本発明の一実施例を構成することも可能である。しかし、これは、昇圧圧縮機２６により多くの動力を送る必要があることから、好適ではない。
【００３７】
後で考察するように、ブースト圧力空気ストリーム３２を液化することを介して生成される液体空気ストリーム３６が液体エキスパンダ５２内に導入され得、それによりプラントでのさらなる冷却の需要が生み出される。膨張後の液体空気ストリーム３６は第１の二次的な液体空気ストリーム５４及び第２の二次的な液体空気ストリーム５６に分割され得る。後で考察する手法で、第１の二次的な液体空気ストリーム５４が高圧塔５８内に導入され、第２の二次的な液体空気ストリーム５６が低圧塔６０内に導入される。
【００３８】
空気分離ユニット３は、高圧塔５８と、低圧塔６０と、アルゴン塔６２とを備える。これらの塔はすべて、トレイ、又は、例えば成形充填物といったような充填物、或いはトレイと充填物との組み合わせなどの、物質移動接触要素を包含する。高圧塔５８内に導入される組み合わせのストリーム５０から発生する上昇気相が常に窒素含有率が高くなり、それにより窒素富化蒸気塔頂留出物が生成され、この窒素富化蒸気塔頂留出物は窒素富化蒸気ストリーム６４として、低圧塔６０の液だめ内に位置する復水再沸器６６内に引き込まれて凝縮され、それにより窒素富化液体ストリーム６８が生成される。酸素富化液体塔底液７０の一部が、窒素富化蒸気ストリーム６４の凝縮に際して蒸発する。窒素富化液体ストリーム６８の一部７２が環流として高圧蒸留塔５８に戻され、それにより降下液相が確立され、この降下液相は上昇気相に接触することにより常に酸素含有率が高くなり、それにより高圧塔５８の粗製液体酸素塔底液７４が生成される。
【００３９】
粗製液体酸素塔底液７４から構成される粗製液体酸素ストリーム７５が低圧塔６０内でさらに精製される。この目的のために、粗製液体酸素ストリーム７５は過冷却ユニット７６内で過冷却され、その後分割される。粗製液体酸素ストリーム７４の一部７８が、エキスパンション・バルブ８０内での膨張後に、低圧塔６０内に導入される。次いで、粗製液体酸素ストリーム７５の一部８２がエキスパンション・バルブ８４により膨張されてアルゴン・コンデンサ１０２内に導入され、そこで、部分的に蒸発し、それにより気相及び液相が得られる。これらの液相及び気相からそれぞれ構成される液相ストリーム８６及び気相ストリーム８８が低圧塔６０内に導入される。低圧塔６０で、高圧塔５８から除去された窒素含有環流ストリーム９０があるレベルで環流し、ここではこのストリームは、窒素富化液体ストリーム６８の一部７２より窒素含有量が低い。窒素含有液体ストリーム９０が過冷却ユニット７６内で過冷却され、エキスパンション・バルブ９２により膨張され、低圧塔６０内に導入される。
【００４０】
アルゴン塔６０の利点は、降下液相からアルゴンが分離されることにより、酸素の回収が改善されることである。アルゴン含有蒸気ストリーム９４が低圧塔６０から除去され、アルゴン塔６２内に導入されて精留され、それによりアルゴン富化塔頂留出物及び酸素含有液体塔底液９６が生成される。酸素含有液体塔底液９６から構成される酸素含有液体ストリーム９８が低圧塔６０に戻される。アルゴン富化蒸気塔頂留出物がアルゴン富化蒸気ストリーム１００として除去されてアルゴン・コンデンサ１０２内で凝縮され、それによりアルゴン塔６２のための環流が得られる。本明細書で示されるアルゴン・コンデンサは、シェル１０４と、シェル１０４内にある熱交換器１０６とを有する。過冷却されて膨張された後の粗製液体酸素ストリーム７５の一部８２がシェル１０４内に導入され、シェル１０４において、この粗製液体酸素ストリーム７５の一部８２が、熱交換器１０６を通過するアルゴン富化蒸気ストリーム１００中に含まれるアルゴン富化蒸気を凝縮させるのと反対に、部分的に蒸発し、それにより液相及び気相が得られる。これらの液相及び気相から構成される液相ストリーム８６及び気相ストリーム８８が低圧塔６０内に再び導入される。得られたアルゴン富化液体ストリーム１０８は相分離器１１０内に入り、それにより気相ストリーム１１２として排出される気相と、液体環流ストリーム１１４として相分離器１１０から排出されてアルゴン塔６２内に再び導入される液相とが生成される。この目的は、規定外の動作（ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ  ｅｘｃｕｒｓｉｏｎ）時にストリーム１００内で窒素が増加するのを防止することである。当技術分野で知られているように、窒素が過剰に存在すると、温度差が縮小されることにより復水器１０６の動作が停止する可能性がある。アルゴン生成物ストリーム１１６が液体又は蒸気としてアルゴン塔から除去され得る。
【００４１】
示される実施例では、熱交換器１０６は、第２の二次的な液体空気ストリーム５６を過冷却するための１組の通路を備える。得られる過冷却された第２の二次的な液体空気ストリーム１１８は、エキスパンション・バルブ１２０により低圧塔６２の圧力まで膨張され、低圧塔６２内に導入される。この場合の利点は、アルゴンを回収することと共に、酸素の回収が改善されることである。
【００４２】
酸素富化液体塔底液７０から構成される酸素富化液体ストリーム１２２が、第１の酸素富化液体ストリーム１２４及び第２の酸素富化液体ストリーム１２６に分割され得る。第１の酸素富化液体ストリーム１２４がポンプ１２８内で超臨界圧力まで加圧（ポンピング）され、加圧液体酸素ストリーム１３０が生成される。第２の酸素富化液体ストリーム１２６は任意選択であり、生成物として取り出され得る。別法として及び／又は加えて、加圧液体酸素の一部も生成物として取り出され得る。次いで、加圧液体酸素ストリーム１３０が高圧熱交換器２８内で超臨界温度まで加熱され、酸素生成物ストリーム１３２が超臨界流体として排出される。
【００４３】
上で言及したように、ブースト圧力の空気ストリームに必要となる圧力を低減するために、窒素富化液体ストリーム６８の一部から形成される液体窒素ストリーム１３３が高圧熱交換器２８内で蒸発され、それにより所定の圧力の窒素生成物ストリーム１３４が生成される。このストリームは窒素富化液体ストリーム６８と等しい圧力を有するものとして示されるが、液体窒素ストリーム１３３は、高圧窒素が必要となる場合のストリーム中に含有される窒素の超臨界圧力未満の圧力まで加圧されてもよい。しかしこの窒素は、加熱中に実際に蒸発するような圧力であることが重要である。また、窒素富化液体ストリーム６８の別の部分から構成される別の液体窒素ストリーム１３６が過冷却ユニット７６内で過冷却され得、任意選択の液体窒素生成物ストリーム１３８として取り出され得ることにも留意されたい。しかし、液体窒素ストリーム１３３は、環流ストリーム７２として高圧塔５８に戻されない窒素富化液体ストリーム６８の一部の少なくとも９０パーセントを構成しなければならない。さらに、液体窒素ストリーム１３３及び加圧液体酸素ストリーム１３０の流量は約０．３から約０．９０の間の比率でなければならない。この点に関して、加圧液体酸素ストリーム、又は高圧熱交換器２８内で加熱されるその一部が、酸素富化液体ストリーム１２２の流量の少なくとも９０パーセントを構成しなければならない。比率が０．９０を超えると、酸素生成物が、それ以外の場合で蒸発窒素を生成させることなく生成されるであろう酸素生成物の量の約９４パーセントまで低下する。後で考察するように、この下限は、ブースト圧力空気ストリーム３２のブースト圧力を低下させることができる有意な効果が得られなくなるところの限界である。このような窒素の流量が、流れ経路のための適切なサイズの、配管及び熱交換器などの設備を備えるバルブにより制御され得ることに注目されたい。窒素が加圧される場合、ポンプの流量特性及びヘッド特性が窒素の流量を制御する。また、液体窒素ストリーム１３３は、約３４バール（絶対）である超臨界圧力を超えるまで加圧されない範囲で加圧されてよい。
【００４４】
０．３の下限は図２を参照して最もよく説明され得る。図２に示されるように、８０バール（絶対）の加圧液体酸素ストリームが超臨界温度まで加熱され、ここでは、多様な比率で液体窒素ストリームが蒸発する。すべての場合において、計算しやすいように、液体生成物の量を少なくした。明らかなように、０．３０未満において、曲線がもはや線形ではなくなるような変曲点が存在する。したがって、酸素に対する窒素の比率が約０．３０未満では、液体窒素を蒸発させることの効果が漸進的に低下する。
【００４５】
図３は、約０．８５の比率での、高圧熱交換器２８などの熱交換器内における複合加熱曲線及び複合冷却曲線を示しており、８０バール（絶対）の圧力で加圧酸素が超臨界温度まで加熱される。昇圧空気ストリームの最適な圧力は６８バール（絶対）である。図４では、比率は０．０まで低減されている。明らかなように、最適な空気圧力は１１０バール（絶対）である。図５に示されるように、使用した酸素に対する窒素の比率は０．２である。最適な空気圧力は９２バール（絶対）である。図４及び図５では、圧力が図３の圧力より高いが、空気を圧縮して昇圧空気ストリームを形成するのに必要となるエネルギーは図３の場合より少ないことに注目されたい。これは、図３の場合では、液体窒素を蒸発させる際に損失が生じ、より多くの昇圧空気流れが必要になることが理由である。しかし、窒素が高圧塔又は低圧塔からの蒸気として引き込まれ、熱交換器２８内で加圧及び蒸発されない場合に、同量の加圧窒素を供給するためには、代わりに窒素を外部で圧縮しなければならない。この場合、より高く昇圧された空気流れに伴うエネルギー損失の大部分が回避される。このエネルギー損失は、それ以外の場合でブースト圧力空気ストリーム３２などの昇圧空気ストリームの高い圧力に耐えるのに必要となる熱交換器のコスト及び有用性に対して、さらには、必要である場合には追加の窒素圧縮機のコストに対して、比較衡量されなければならない。したがって、それ以外のものがすべて等しい場合、液体窒素を使用することにより、ブースト圧力空気ストリーム３２の圧力を低下させることが可能となる。
【００４６】
例えば図３を参照すると、液体窒素ストリームが一定の温度で蒸発し、それによりコールド・エンド付近に低温複合曲線の平坦区間が見られる。加圧液体酸素の圧力は酸素の臨界圧力（約５１バール（絶対））に等しいか又はそれを超える。したがって液体窒素ストリームとは異なり、加圧酸素ストリームは温められるときに沸騰しない。しかし、熱容量が著しく高い場合、超臨界酸素が「擬似沸騰」するようなゾーンが存在する。これは、図３の低温複合曲線の、酸素の臨界温度（１５５Ｋ）付近で始まる平坦ゾーンで観察され得る。図３、４及び５では、液体窒素ストリームの流量が低温の複合温度プロファイルに大きく影響する。例えば、図３では、加圧酸素ストリームが約０．４５の負荷（ｄｕｔｙ）のところで「擬似沸騰」し始める。液体窒素ストリームの流量がゼロである図４では、加圧酸素ストリームは約０．３０の負荷のところで「擬似沸騰」し始める。ブースト圧力空気ストリームの最適圧力では（図３〜５では高温複合曲線で示される）、酸素の臨界温度付近でアプローチ温度差が最小となる。好適には、このアプローチ温度差は約１．０Ｋであるが、わずか０．５Ｋ程度である場合もあり、又は５．０Ｋ程度に高くなる場合もある。酸素の圧力によっては、この最小温度差は１５０Ｋから１８０Ｋの間の範囲に見られる。熱交換器内で、例えばウォーム・エンド付近に、同時に別の最小温度差が見られる場合もある。この最適設計条件により、熱交換器の所与の全表面積に対する全消費動力が最小化される。また、高温複合曲線と低温複合曲線との間の面積が概して最小化される。この条件下では、高温複合ストリームと低温複合ストリームとの間での熱伝達が最も熱力学的に可逆になることから、動力消費が最小化される。この条件を実現するために、昇圧空気ストリームの圧力が最適化される。したがって、液体窒素ストリームの量が増加すると、昇圧空気ストリームの最適な圧力が低下し、これは高温複合曲線の形状に影響する。図３の場合、昇圧空気ストリームの最適な圧力は６８バール（絶対）であり、図４の場合、昇圧空気ストリームの最適な圧力は１１０バール（絶対）であり、図５の場合、昇圧空気ストリームの最適な圧力は９２バール（絶対）である。昇圧空気ストリームの圧力が低下することにより、高温複合曲線の変化が大きくなり、これは超臨界のブースト圧力空気ストリームの「擬似凝縮」に関係する。これにより、１５０Ｋから１８０Ｋにおけるアプローチ温度差を、より高い比率の液体窒素ストリームにおける最適な値まで低減することが可能となる。昇圧空気ストリームの圧力が最適条件未満までさらに低下すると、バンク型熱交換器における高温複合曲線が過度に変化することから、１５０Ｋから１８０Ｋにおいて温度差を正に維持することが不可能となる。したがって、昇圧空気ストリームの圧力が明確にその最適値未満まで低下すると、バンク型熱交換器において必要となる熱伝達を行うことが不可能となる。非バンク型の熱交換器の場合、ブースト圧力空気ストリームの圧力をさらに低下させることは可能であるが、必要となる流量が増加し、それにより動力消費も増大する。
【００４７】
低圧塔６０の窒素富化蒸気塔頂留出物から構成される窒素蒸気ストリーム１４０は、好適には、第１の窒素蒸気ストリーム１４２及び第２の窒素蒸気ストリーム１４４に分割される。第１の窒素蒸気ストリーム１４２は、過冷却ユニット７６で必要とされる過冷却の負荷のために過冷却ユニット７６内に導入され、次いで、低圧熱交換器２２内で完全に温められる。第２の窒素蒸気ストリーム１４４は高圧熱交換器２８内に導入され、完全に温められ、廃棄窒素ストリーム１４６として排出される。第１の窒素ストリーム１４２及び第２の窒素ストリーム１４４の流量は、高圧熱交換器２８及び低圧熱交換器２２の温度プロファイルが最適に釣り合わされるように、既知の手法で選択されるべきである。これは、熱交換器２８及び２２の温度の接近が密になるのを回避することを目的として、さらには、必要となる熱伝達表面を最小化することを目的として実施される。完全に温められた後の第１の窒素ストリーム１４２は、予備浄化ユニット１８内で吸着剤を再生するのに使用される再生ストリーム１４８と、廃棄窒素ストリーム１５０として排出される残りの部分とに分割され得る。高圧熱交換器内の第２の窒素ストリーム１４４が、上記の酸素に対する窒素の比率に影響しないことに留意されたい。
【００４８】
示されるように、必要である場合には高圧である、得られる窒素生成物ストリーム１３２は圧縮機１５２により部分的に圧縮され得、それにより高圧窒素ストリーム１５４が生成される。その場合、窒素生成物ストリーム１３２の残りの部分は低圧窒素ストリーム１５６として取り出され得る。
【００４９】
下の表は、本発明による空気分離プラント１の動作をシミュレートした実例である。
【表１】
2014510247.tif 000003
【００５０】
本発明を、当業者が思いつくような好適な実施例を参照しながら説明してきたが、添付の特許請求の範囲に記載される本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、多くの変更、追加及び省略が行われ得る。
【図１】
2014510247.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2014510247.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成25年5月28日(2013.5.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１０年８月１２日付けで提出した米国特許出願第１２／８５５，３１３号の利益を主張するものであり、同出願は参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、空気を分離するための方法及び装置であって、超臨界圧力を有する加圧（ｐｕｍｐｅｄ）液体酸素ストリームを生成するために酸素富化液体が加圧され、加圧液体酸素ストリームは次いで、超臨界流体としての酸素生成物を生成するためにブースト圧力（ｂｏｏｓｔｅｄ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ）空気ストリームを用いて間接的な熱交換を行うことにより超臨界温度まで温められる方法及び装置に関するものである。より詳細には、本発明は上記のような方法及び装置において、加圧液体ストリームが加熱されるのと同時に液体窒素ストリームが気化（蒸発）され、それによって、そうでなければ加圧液体酸素ストリームを単独で加熱するのにブースト圧力空気ストリームに要求される圧力を低下させる方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
主として、非常に高圧の超臨界酸素のための気化器の需要により、非常に高圧の超臨界酸素の市場が新たに生まれている。通常、酸素は空気を深冷分離することにより生成される。このような低温精留によって生成される酸素は適度な運転圧力で生成されて圧縮され得るが、多くの場合、液体酸素ストリームは低温精留プラント内で超臨界圧力まで加圧され、次いで、超臨界流体として酸素生成物を生成するためにブースト圧力空気ストリームを用いて間接的な熱交換を行うことにより超臨界温度まで加熱される。
【０００３】
低温精留プラントでは、供給空気ストリームが圧縮されて、湿気、二酸化炭素、一酸化炭素及び炭化水素などの高沸点の汚染物質から浄化され、その結果、圧縮及び浄化された空気ストリームが生成される。このような空気ストリームの一部は、少なくとも１つの高圧熱交換器と少なくとも１つの低圧熱交換器とから構成されるバンク型（ｂａｎｋｅｄ）熱交換器構成の低圧熱交換器内で冷却され得る。バンク型熱交換器構成では、高圧熱交換器が、加圧液体酸素ストリームを、高圧の昇圧空気ストリームを用いて間接的に熱伝達することにより超臨界温度まで加熱するために設けられる。このような熱交換器のバンキングを使用することにより製造コストが節約される。というのは、高い酸素圧力に耐え得るように、さらには、酸素を加熱するのに必要となる昇圧空気ストリームのさらに高い圧力に耐え得るように製造されなければならないのは高圧熱交換器のみであるからである。いずれの場合も、低圧熱交換器からの冷却された空気は、次いで、熱伝達関係にある高圧塔及び低圧塔を有する空気分離ユニット内に導入され、それにより空気が精留され、窒素・酸素富化留分が得られる。このような空気分離ユニットはまた、アルゴン含有蒸気ストリームを精留して、アルゴン富化生成物を得るため、又は粗製（ｃｒｕｄｅ）アルゴンとして当技術分野で知られる中間アルゴン生成物を得るために、低圧塔に接続されるアルゴン塔を含むことができる。
【０００４】
これらの高圧塔及び低圧塔は、液相と気相を接触させるための、トレイ又は成形充填物などの物質移動接触要素、或いはそのような物質移動接触要素の組み合わせを包含し、それらにより塔内で連続蒸留を行うことを実現する。高圧塔に入る空気は、空気が高圧塔を上昇するにつれて常に窒素含有率の高い上昇気相を生成し、それにより塔頂留出物として窒素富化蒸気が生成される。次に、この窒素富化蒸気は凝縮されて窒素富化液体になり、窒素富化液体の一部は高圧塔を環流するのに使用され、降下液相が開始し、この降下液相は物質移動接触要素内で上昇気相に接触し、それによりこれらの液相が降下するにつれてより多くの酸素を含有するようになる。その結果、高圧塔内に、ケトル液（ｋｅｔｔｌｅ  ｌｉｑｕｉｄ）としても知られる粗製液体酸素塔底液（ｃｏｌｕｍｎ  ｂｏｔｔｏｍ）が生成される。このような液体の塔底液は低圧塔内でさらに精製され、また、アルゴン塔が存在する場合は、低圧塔内に導入される前にアルゴン塔内でアルゴン富化蒸気を凝縮させるための熱伝達媒体として働く。このようにさらに精製が行われることにより、低圧塔内に酸素富化液体塔底液が生成され、さらには、窒素を多く含有する塔頂留出物が生成される。次いで、酸素富化液体のストリームは除去及び加圧されて加圧液体酸素ストリームとなり、その少なくとも一部が、酸素生成物を形成するために高圧熱交換器内に導入される。
【０００５】
高圧塔と低圧塔との間のこのような熱交換関係は、低圧塔の液だめ内に配置され得る復水再沸器（ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ  ｒｅｂｏｉｌｅｒ）によって形成される。高圧塔の窒素富化蒸気塔頂留出物のストリームが凝縮されると窒素富化液体が生成され、この窒素富化液体の一部は高圧塔の環流として働く。このような凝縮は、低圧塔の酸素富化液体塔底液を用いた間接的な熱交換を介して行われ、それによりこれらの液体は低圧塔内で沸騰してボイルアップ（ｂｏｉｌｕｐ）を生成する。この窒素富化液体の一部は生成物として取り出され得、実際には、加圧されて、加圧液体酸素ストリームと共に高圧熱交換器内に導入される。米国特許出願公開第２００８／０３０７８２８号では、加圧された酸素ストリーム及び窒素ストリームの両方がバンク型熱交換器構成の高圧熱交換器を通過し、それにより超臨界流体として酸素生成物が生成され、さらには、加圧窒素ストリームが蒸発してそれにより所定の圧力の窒素蒸気生成物が生成される。
【０００６】
超臨界圧力における酸素の生成では、高圧熱交換器は、加熱される酸素ストリームよりさらに高い圧力にも耐え得るように建設されなければならない。例えば、１２０バール（絶対）の酸素が超臨界温度まで加熱される場合、ブースト圧力空気ストリームは最適には１６０バール（絶対）程度の圧力を有する。ここでの問題は、昇圧空気ストリームの圧力に耐え得るような熱交換器を製造するためのコストが法外に高くなる可能性があること、さらには、やはり同様の非常に高い圧力を定格としなければならない付随する配管及びバルブのコストも法外に高くなる可能性があることである。加えて、圧力に応じてインライン・バレル型（ｉｎｌｉｎｅ  ｂａｒｒｅｌ）圧縮機が必要になる可能性があり、このようなインライン・バレル型圧縮機はより低い圧力で使用され得る一体型圧縮機より効率が低いことから、エネルギー・コストも増大する可能性がある。最後に、このようなシステムを起動させる際、非常に高い圧力において耐圧試験が失敗することが非常に重大な事態になる可能性もある。
【０００７】
したがって、加圧液体酸素を超臨界温度まで加熱するのに必要であるブースト圧力空気ストリームの圧力を最小化することが必要とされる。
【０００８】
後で考察するように、本発明は、熱交換器内で超臨界圧力の加圧液体酸素ストリーム及び液体窒素ストリームの両方を温めることを伴う、空気を分離するための方法及び装置を提供し、ここでは、蒸発することになる液体窒素の流量が、そうでなければブースト圧力空気ストリームに要求されるであろう圧力より低い圧力で運転するのを可能にするのに十分な流量である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／０３０７８２８号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一観点では、本発明は空気を分離するための方法を提供し、ここでは、低温精留プロセスにおいて空気が分離される。このプロセスでは、圧縮され、浄化され、冷却された空気が高圧塔及び低圧塔を有する空気分離ユニット内で精留され、加圧液体酸素ストリームの少なくとも一部が加熱され、液体窒素ストリームがブースト圧力空気ストリームを用いた間接的な熱交換を介して気化（蒸発）される。低圧塔内で生成される酸素富化液体塔底液から構成される酸素富化ストリームの少なくとも一部が加圧され、それにより加圧液体酸素ストリームが生成される。液体窒素ストリームは、酸素富化液体塔底液の一部が蒸発するのに対して、高圧塔の窒素富化蒸気塔頂留出物を凝縮させることによって形成される、環流としては使用されない窒素富化液体ストリームの一部から生成される。
【００１１】
加圧液体酸素ストリームのこの少なくとも一部は超臨界圧力を有し、超臨界温度まで加熱され、それにより超臨界流体として酸素生成物が生成される。加圧液体酸素ストリームのこの少なくとも一部は酸素富化ストリームのうちの少なくとも約９０パーセントを構成し、液体窒素ストリームのこの少なくとも一部は臨界未満圧力を有し、窒素富化液体ストリームのこの一部のうちの少なくとも約９０パーセントを構成する。液体窒素ストリーム及び加圧液体酸素ストリームのこの少なくとも一部は０．３から０．９０の間の比率の流量を有する。ブースト圧力空気ストリームは１つのブースト圧力及び１つの流量を有する。ブースト圧力は、もし液体窒素ストリームによる熱交換器内での間接的な熱交換がなければ上記の流量で要求されるであろう圧力よりも低い。
【００１２】
本明細書の発明者らは、特定の運転条件下で、加圧液体酸素ストリームを加熱することと共に液体窒素ストリームを蒸発させることが、複合冷却曲線の形状に大きく影響することを発見した。酸素回収に著しく影響せず且つ十分な量の環流が確実に得られるように選択される比率の上限は０．９０であり、また、ブースト圧力空気ストリームのために必要となる圧力が十分に低減されなくなってしまう下限の比率は０．３である。
【００１３】
加熱曲線及び冷却曲線が、冷却されるブースト圧力空気ストリーム及び任意の別のストリームから、加熱される温度上昇酸素・温度上昇／蒸発窒素ストリーム並びに任意の別のストリームへの全体の熱伝達を表すことに留意されたい。複合曲線は、複数の温度低下ストリーム（「高温」ストリーム）を１つの曲線に集約し、さらに、複数の温度上昇ストリーム（「低温」ストリーム）を１つのストリームに集約する。熱交換器内の所与の温度では、複合曲線は次のように定義される。すなわち、高温ストリーム又は低温ストリームの各々のエネルギー変化の合計が高温又は低温複合曲線のそれぞれの負荷（ｄｕｔｙ）を定める。同時に熱を伝達する２つ以上のストリームを用いた熱交換器の分析を単純化及び理想化するのに、複合曲線が使用される。
【００１４】
加圧液体酸素ストリームを加熱することに加えて、同時に高圧熱交換器内の液体窒素ストリームを蒸発させることの効果は、複合冷却曲線の形状が次ぎのように変化することである。すなわち、設計者は、酸素ストリームのみが高圧熱交換器内で加熱されるストリームである場合に、そうでなければ超臨界圧力で酸素ストリームを超臨界温度まで加熱するのにブースト圧力空気ストリームに要求される圧力を低減することが可能となる。この点に関して、非バンク型の熱交換器構成では、温められる又は冷却されるすべてのストリームが、ほとんどの実際的な用途において並列の一連の熱交換器である単一の熱交換器内で間接的な熱交換を受ける。設計者がブースト圧力空気ストリームの圧力を低減することを所望する場合、このストリームの流量を増加させなければならないという問題が発生する。液体窒素ストリームが蒸発する場合では、これらの曲線形状が変化することにより、ブースト圧力空気ストリームの流量が、このような液体窒素ストリームが存在しない場合の流量より少なくさせることができる。流量が増加すると生成される液体空気が増加し、塔性能が低下し、最終的には塔を運転することが不可能となる。これらのすべての熱交換が１つの高圧熱交換器内で行われるようなバンク型では、液体窒素が蒸発することにより、液体酸素が超臨界流体になるところの熱交換器内の温度である合理的なアプローチ温度で熱交換器を機能させることが可能となり、これは通常は５ケルビン未満である。液体窒素が存在しない場合、液体窒素を用いる場合に必要となる流量では熱交換器が機能しないことに加えて、極限の運転状態において、加熱曲線及び冷却曲線が実際に交差してしまい、それにより熱交換器を運転することができなくなる。
【００１５】
上で示したように、加圧液体酸素ストリームの少なくとも一部が加熱され得、また、液体窒素ストリームが、ブースト圧力空気ストリームを用いた間接的な熱交換を介してバンク型熱交換器構成の高圧熱交換器内で蒸発され得る。
【００１６】
アルゴン含有蒸気ストリームが低圧塔から除去されてアルゴン塔内で精留され得、それによりアルゴン富化蒸気塔頂留出物及び酸素含有液体塔底液が生成される。アルゴン富化蒸気塔頂留出物が凝縮され、それによりアルゴン環流ストリームが生成され、このアルゴン環流ストリームはアルゴン塔内に導入される。アルゴン富化生成物ストリームがアルゴン塔から除去され、酸素含有液体塔底液から構成される酸素含有液体ストリームが低圧塔内に導入される。特定の実施例では、高圧塔内で生成される粗製液体酸素塔底液から構成される、粗製液体酸素ストリームが過冷却される。過冷却後の粗製液体酸素ストリームの少なくとも一部がバルブにより膨張され、アルゴン塔に接続されるアルゴン・コンデンサ（ａｒｇｏｎ  ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ）内に導入され、それによりアルゴン富化蒸気ストリームが凝縮され、それにより粗製液体酸素ストリームが部分的に蒸発し、気相及び液相が形成される。これらの気相及び液相からそれぞれ構成される気相ストリーム及び液相ストリームが低圧塔内に導入され、ブースト圧力空気ストリームが液化されることにより形成される液体空気ストリームが膨張され、第１の二次的な液体空気ストリームと第２の二次的な液体空気ストリームとに分割される。第１の二次的な液体空気ストリームが高圧塔内に導入され、第２の二次的な液体空気ストリームがアルゴン・コンデンサ内に導入されて過冷却される。過冷却後の第２の二次的な液体空気ストリームが膨張されて低圧塔内に導入される。
【００１７】
この空気は、主空気圧縮機内で供給空気ストリームを圧縮してその空気を圧縮後に予備浄化ユニット内で浄化することにより圧縮及び浄化され得、それにより圧縮及び浄化された空気ストリームが形成される。圧縮及び浄化された空気ストリームの第１の部分がバンク型熱交換器構成の低圧熱交換器内で精留に適する温度まで冷却されて高圧塔内に導入される。圧縮及び浄化された空気ストリームの第２の部分の少なくとも一部が、ブースト圧力空気ストリームを形成する際に昇圧圧縮機内で圧縮される。圧縮及び浄化された空気ストリームの第３の部分がさらに圧縮され得、低圧熱交換器内で部分的に冷却され得、ターボエキスパンダ内で膨張され得、それにより排気ストリームが生成される。排気ストリームは圧縮及び浄化された空気ストリームの第１の部分と共に高圧塔内で精留される。圧縮及び浄化された空気ストリームの第２の部分の一部は、ブースト圧力空気ストリームを形成する際に昇圧圧縮機内で圧縮され得る。この場合、圧縮及び浄化された空気ストリームの第３の部分は、昇圧圧縮機の中間ステージ内で部分的に圧縮された後の圧縮及び浄化された空気ストリームの第２の部分の別の一部から構成され、別の昇圧圧縮機内でさらに圧縮される。
【００１８】
窒素富化液体ストリームの別の一部が環流として高圧塔内に導入され得、窒素富化液体ストリームより窒素純度が低い窒素含有環流ストリームが過冷却され得、膨張され得、環流として低圧塔に導入され得る。低圧塔の塔頂留出物から構成される低圧窒素蒸気ストリームが、サブクーラ内で間接的な熱交換を介して窒素含有環流ストリーム及び粗製液体酸素ストリームを過冷却するのに使用され得る。低圧窒素蒸気ストリームは第１及び第２の二次的な低圧窒素蒸気ストリームに分割され、これらはそれぞれ高圧熱交換器及び低圧熱交換器内に導入され、それによりコールド・エンドの温度の釣り合いがとられる。
【００１９】
本発明のいずれの実施例においても、液体窒素ストリーム及び窒素富化液体ストリームは等しい圧力を有することができる。しかし、本発明が、液頭又はポンプにより液体窒素ストリームの圧力を増加させることができることを企図していることを理解されたい。
【００２０】
本発明の別の観点では、低温空気分離プラントを含む、空気を分離するための装置が提供される。このようなプラントは、空気を精留するための、高圧塔及び低圧塔を有する空気分離ユニットと、空気分離ユニットに流体連通される熱交換器と、ポンプとを含む。熱交換器は、ブースト圧力空気ストリームから、超臨界圧力を有する加圧液体酸素ストリームの少なくとも一部及び液体窒素ストリームへと間接的に熱交換を行うように構成され、それにより加圧液体酸素ストリームが超臨界温度まで加熱され、超臨界流体として酸素生成物が形成され、また液体窒素ストリームが蒸発して蒸気としての窒素生成物が形成される。ポンプは熱交換器と低圧塔との間に配置され、それにより低圧塔内で生成される酸素富化液体塔底液から構成される酸素富化ストリームの少なくとも一部が超臨界圧力まで加圧され、加圧液体酸素ストリームの少なくとも一部が酸素富化ストリームの少なくとも約９０パーセントを構成するようになる。
【００２１】
熱交換器は高圧塔及び低圧塔に動作可能に連結される復水再沸器に流体連通され、それにより液体窒素ストリームは、復水再沸器内で酸素富化液体塔底液の一部が蒸発するのに対して、高圧塔の窒素富化蒸気塔頂留出物を凝縮させることによって生成される、環流としては使用されない窒素富化液体ストリームの一部のうちの少なくとも約９０パーセントから構成される。このような液体窒素ストリームは臨界未満圧力を有する。空気分離プラントは次のように構成される。すなわち、液体窒素ストリーム及び加圧液体酸素ストリームの少なくとも一部が０．３から０．９０の間の比率の流量を有する。ブースト圧力空気ストリームは、次のように構成される昇圧圧縮機によって生成される。すなわち、ブースト圧力空気ストリームが、１つの流量と、もし液体窒素ストリームによる熱交換器内での間接的な熱交換がなければ上記の流量で必要とされるであろう圧力より低いブースト圧力とを有する。
【００２２】
熱交換器は、低圧熱交換器をさらに有するバンク型熱交換器構成の高圧熱交換器であってよい。
【００２３】
アルゴン塔が低圧塔に接続されてよく、ここでは、アルゴン含有蒸気ストリームが低圧塔から除去されてアルゴン塔内で精留され、それによりアルゴン富化蒸気塔頂留出物及び酸素含有液体塔底液が生成される。酸素含有液体塔底液から構成される酸素含有液体ストリームが低圧塔内に導入される。アルゴン・コンデンサがアルゴン塔に接続され、ここでは、アルゴン富化蒸気塔頂留出物が凝縮されてそれによりアルゴン環流ストリームが生成され、このアルゴン環流ストリームはアルゴン塔内に導入され、ここでは、このアルゴン塔はアルゴン塔からアルゴン富化生成物ストリームを排出するための出口を有する。特定の実施例では、過冷却ユニットが高圧塔に接続され得、ここでは、高圧塔内で生成される粗製液体酸素塔底液から構成される粗製液体酸素ストリームが過冷却される。アルゴン・コンデンサがこの過冷却ユニットに接続され、第１のエキスパンション・バルブがアルゴン・コンデンサと過冷却ユニットとの間に配置され、ここでは、過冷却後の粗製液体酸素ストリームの少なくとも一部が第１のエキスパンション・バルブによって膨張されてアルゴン・コンデンサ内に導入され、それによりアルゴン富化蒸気ストリームが凝縮され、粗製液体酸素ストリームのこの少なくとも一部が部分的に蒸発され、気相及び液相が形成される。アルゴン・コンデンサはまた、低圧塔に接続され、ここでは、気相及び液相からそれぞれ構成される気相ストリーム及び液相ストリームが低圧塔内に導入される。液体エキスパンダが高圧熱交換器に接続され、ここでは、ブースト圧力空気ストリームが液化されることによって生成される液体空気ストリームが膨張される。この液体エキスパンダは高圧塔及びアルゴン・コンデンサに接続され、それにより液体空気ストリームの一部から構成される第１の二次的な液体空気ストリームが高圧塔内に導入され、液体空気ストリームの別の一部から構成される第２の二次的な液体空気ストリームがアルゴン・コンデンサ内に導入される。アルゴン・コンデンサは第２の二次的な液体空気ストリームを過冷却するように構成され、また過冷却後の第２の二次的な液体空気ストリームを低圧塔内に導入するために低圧塔に接続される。第２の二次的な液体空気ストリームをバルブにより膨張させるために、第２のエキスパンション・バルブがアルゴン・コンデンサと低圧塔との間に配置される。
【００２４】
供給空気ストリームを圧縮するために主空気圧縮機が設けられてもよく、圧縮後に供給空気ストリームから圧縮及び浄化された空気ストリームを形成するために、予備浄化ユニットが主空気圧縮機に接続されてよい。このバンク型熱交換器構成は予備浄化ユニットと高圧塔との間に配置される低圧熱交換器を有し、ここでは、圧縮及び浄化された空気ストリームの第１の部分が精留に適する温度まで冷却されて高圧塔内に導入される。昇圧圧縮機が予備浄化ユニットと高圧熱交換器との間に配置され、ここでは、圧縮及び浄化された空気の第２の部分の少なくとも一部が昇圧圧縮機内でさらに圧縮され、それによりブースト圧力空気ストリームが形成される。この昇圧圧縮機は、ブースト圧力空気ストリームを生成することを目的として、圧縮及び浄化された空気ストリームの第２の部分の一部を圧縮するように、さらには昇圧圧縮機の中間ステージからの圧縮及び浄化された空気ストリームの第２の部分の別の一部から構成される圧縮及び浄化された空気ストリームの第３の部分を排出するように構成され得る。別の昇圧圧縮機が中間ステージと低圧熱交換器との間に配置され、ここでは、圧縮及び浄化された空気ストリームの第３の部分がさらに圧縮されて低圧熱交換器内に導入される。低圧熱交換器は圧縮及び浄化された空気ストリームの第３の部分を部分的に冷却するように構成され、ターボエキスパンダが、圧縮及び浄化された空気ストリームの第３の部分を膨張させてそれにより排気ストリームを生成するために、低圧熱交換器に接続される。このターボエキスパンダは高圧塔に流体連通され、ここでは、圧縮及び浄化された空気ストリームの第１の部分と共に排気ストリームが高圧塔内で精留される。
【００２５】
復水再沸器が高圧塔に接続され、ここでは、窒素富化液体ストリームの別の一部が環流として高圧塔内に導入される。過冷却ユニットが高圧塔に接続され、ここでは、窒素富化液体ストリームより窒素純度が低い窒素含有環流ストリームが高圧塔から排出されて過冷却ユニット内で過冷却される。この過冷却ユニットは低圧塔に接続され、ここでは、窒素含有環流ストリームが環流として低圧塔に導入される。第３のエキスパンション・バルブがサブクーラと低圧塔との間に配置され、ここでは、窒素含有環流ストリームが第３のエキスパンション・バルブ内で膨張される。サブクーラはまた低圧塔に接続され、ここでは、低圧塔の塔頂留出物から構成される低圧窒素蒸気ストリームが間接的な熱交換を介して窒素含有環流ストリーム及び粗製液体酸素ストリームを過冷却する。高圧熱交換器が低圧塔に接続され、低圧熱交換器がサブクーラに接続され、ここでは、低圧窒素蒸気ストリームから構成される第１及び第２の二次的な低圧窒素蒸気ストリームがそれぞれ高圧熱交換器及び低圧熱交換器内に導入され、それにより温度の釣り合いがとられる。
【００２６】
高圧熱交換器は復水再沸器に流体連通され得、ここでは、液体窒素ストリーム及び窒素富化液体ストリームが等しい圧力を有する。
【００２７】
本明細書は、出願人がそれらの発明とみなす主題を明確に示す特許請求の範囲で締めくくるが、本発明は添付図面と併せて読むことによってより良く理解されると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明による方法を実施するように設計された装置を示す概略的なプロセス流れ図である。
【図２】昇圧空気ストリームを圧縮するのに適した圧力での、酸素対窒素の比率の効果を示すグラフである。
【図３】本発明に従って構成されて動作する空気分離プラントの熱交換器における複合加熱曲線及び複合冷却曲線を示すグラフである。
【図４】酸素対窒素の比率がゼロである状態で動作する空気分離プラントの熱交換器における複合加熱曲線及び複合冷却曲線を示すグラフである。
【図５】酸素対窒素の比率が本明細書で規定される比率未満である状態で動作する空気分離プラントの熱交換器における複合加熱曲線及び複合冷却曲線を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１を参照すると、圧縮及び浄化された空気を分離してそれにより超臨界流体として酸素生成物を生成するように設計された低温精留プラント１が示されている。低温精留プラント１は、バンク型（ｂａｎｋｅｄ）熱交換器構成２及び空気分離ユニット３を備える。空気分離ユニット３は、好適には、後で考察する理由により、アルゴン生成物を生成するためのアルゴン塔６２を備える。バンク型熱交換器構成２は、その高圧熱交換器２８より低い平均圧力で動作する低圧熱交換器２２を有する。酸素生成物は、酸素生成物ストリーム１３２として高圧熱交換器２８から排出される。加えて、窒素生成物ストリーム１３４がやはり高圧熱交換器２８から排出される。しかし、本発明が、非バンク型熱交換器構成のみを採用し且つそこではアルゴン塔が使用されないような低温精留プラントにも等しく適用されることを理解されたい。上で説明したように資本コストが低くなるという理由からバンク型の構成が好適であり、またバンク型の構成では、すべてのストリームが間接的な熱交換関係にある完全な一体型の構成と比較してエネルギー損失が低減される。というのは、完全な一体型の構成では、利用可能な冷却の一部が回復され得ないからである。この点に関して、本発明は、その広い範囲の観点において、高圧塔及び低圧塔を利用し、超臨界流体として酸素生成物を生成するように設計される任意の低温精留プラントに対して適用される。
【００３０】
低温精留プラント１では、供給空気ストリーム１０が圧縮機１２内で圧縮され、それにより圧縮空気ストリーム１４が生成される。後置冷却器１６により、圧縮の熱が圧縮空気ストリーム１４から除去される。圧縮機１２は、凝縮物除去機能を備えるマルチステージの中間冷却一体型ギヤ圧縮機（ｍｕｌｔｉ−ｓｔａｇｅ  ｉｎｔｅｒｃｏｏｌｅｄ  ｉｎｔｅｇｒａｌ  ｇｅａｒ  ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）を構成してもよく、したがって後置冷却器（アフタークーラー）１６が圧縮機１２の一部であってもよいことを理解されたい。いずれの場合も、後置冷却器１６さらには言及する別の後置冷却器により、予備浄化又は熱交換などの下流側のユニットの動作の効率を向上させることが可能となる。しかし、本発明の一実施例はこのような後置冷却器を用いずに構成されることも可能である。
【００３１】
次いで、圧縮空気ストリーム１４が予備浄化ユニット１８内に導入され、それにより空気から、水蒸気、二酸化炭素及び炭化水素などの高沸点の不純物が除去され、圧縮及び浄化された空気ストリーム２０が生成される。当技術分野でよく知られているように、このようなユニット１８は、温度及び圧力スイング吸着作用の組み合わせ、或いは純粋な温度スイング吸着サイクル又は圧力スイング吸着サイクルである１つのサイクルで動作する吸着剤層を内蔵することができる。
【００３２】
バンク型熱交換器構成２は、予備浄化ユニット１８と空気分離ユニット３の高圧塔５８との間に配置される低圧熱交換器２２を有し、ここで圧縮及び浄化された空気ストリーム２０の第１の部分２４が精留に適する温度まで冷却され、高圧塔５８内に導入される。昇圧圧縮機２６が予備浄化ユニット１８とバンク型熱交換器構成２の高圧熱交換器２８との間に配置され、ここで圧縮及び浄化された空気の第２の部分３０の一部が昇圧圧縮機２６内でさらに圧縮され、それによりブースト圧力空気ストリーム３２が形成される。昇圧圧縮機２６はマルチステージ一体型圧縮機である。後置冷却器３４により圧縮の熱が除去された後、ブースト圧力空気ストリーム３２が高圧熱交換器２８内に導入される。昇圧圧縮機２６は、当技術分野でよく知られる手法により、本発明で必要となるようなブースト圧力空気ストリーム３２の流量及び圧力を得るように構成される。この点に関して、昇圧圧縮機２６は、必要となる圧力及び流量（ｆｌｏｗ）を提供する能力を有するために適切なサイズを有する必要があり、入口案内翼などの手段以外でその圧力出力及び流量を制御するための適切な制御装置と、下流側の制御装置とを内蔵している。
【００３３】
主空気圧縮機１２及び昇圧圧縮機２６が単一のユニットとして示されていることに留意されたい。しかし、当技術分野で知られているように、主空気圧縮機１２又は昇圧圧縮機２６を形成するために２つ以上の圧縮機が並列に設置されてもよい。２つの圧縮機のサイズは等しくても等しくなくてもよい。例えばこの能力は顧客の要求に適切に適合するように７０／３０又は６０／４０の比であってよい。通常、圧縮及び浄化された空気ストリーム２０の第２の部分３０は、圧縮及び浄化された空気ストリーム２０の流量のうちの約２５パーセントから約４０パーセントの間の範囲の流量を有する。
【００３４】
高圧熱交換器２８及び低圧熱交換器２２は共に、好適には、ろう付けアルミニウム構成であり、加熱及び冷却されるストリームのための流れ通路を形成するためにサイド・バーによって分離されたパーティング・シートの複数の層から構成される。これらの流れ通路は、各々が、上記の熱交換器内での熱伝達のための表面積を拡張するために当技術分野でよく知られるフィンを備える。高圧熱交換器２８がこのように称されるのは、高圧熱交換器２８が低圧熱交換器２２と比較してより高い最高使用圧力を有するからである。高圧熱交換器２８は、液体空気ストリーム３６を生成するためにブースト圧力空気ストリーム３２を完全に冷却するように構成され、低圧熱交換器２２は、主供給空気ストリーム３８を生成するために圧縮及び浄化された空気ストリーム２０の第１の部分２４を完全に冷却するように構成される。この点に関して、本明細書及び特許請求の範囲で使用される「完全に冷却される」という用語は、低圧熱交換器２２又は高圧熱交換器２８のコールド・エンドの温度まで冷却されることを意味する。
【００３５】
別のタイプの熱交換器が使用されてもよく、例えば高圧熱交換器２８は、銅又はステンレス鋼のスパイラル型、ステンレス鋼の印刷回路、或いはステンレス鋼のプレート−フィン構成であってもよい。さらに、上で示したように、本発明は、１つの熱交換器、又は並列の１組の熱交換器の各々が、ブースト圧力空気ストリーム３２を液化すること及び圧縮及び浄化された空気ストリーム２０の第１の部分２４を冷却することの両方に使用されるような、非バンク型の構成にも適用され得る。また、高圧熱交換器２８及び低圧熱交換器２２の各々は単一ユニットとして示されるが、実際には、各々が、並列に一体に連結されるいくつかの個別の熱交換器ブロック又はコアから構成されてもよい。
【００３６】
圧縮及び浄化された空気ストリーム２０の第２の部分３０の別の一部を構成する、圧縮及び浄化された空気ストリーム２０の第３の部分４０が昇圧圧縮機２６内で部分的に圧縮されて次いでその中間ステージから除去される。圧縮及び浄化された空気ストリーム２０の第３の部分４０は、次いで別の昇圧圧縮機４２内に導入され、後置冷却器４４内で冷却されてそれにより圧縮の熱が除去され、さらに、低圧熱交換器２２内で部分的に冷却され、ターボエキスパンダ４６内に導入され、それにより排気ストリーム４８が生成される。本明細書及び特許請求の範囲で使用される「部分的に冷却される」という用語は、低圧熱交換器２２のウォーム・エンドの温度とコールド・エンドの温度との間のある温度まで冷却されることを意味する。排気ストリーム４８は、圧縮及び浄化された空気ストリーム２０の第１の部分２４と共に、組み合わせのストリーム５０として、高圧塔５８内に導入される。ターボエキスパンダからエネルギーが回収され、このエネルギーは昇圧圧縮機４２に適用される。この目的は、低温空気分離プラントでの冷却の需要の一部を生み出すことである。当技術分野で知られるように、このような冷却は、低圧熱交換器２２及び高圧熱交換器２８でのウォーム・エンド・ロス（ｗａｒｍ  ｅｎｄ  ｌｏｓｓ）と、熱の内部漏洩による損失（ｈｅａｔ  ｉｎ−ｌｅａｋ  ｌｏｓｓ）とを原因として、さらには、プラントが液体を生成するのを可能にすることを目的として行われる。圧縮及び浄化された空気ストリーム２０の第３の部分４０が高圧熱交換器２８内で部分的に冷却されるような本発明の一実施例を構成することも可能である。しかし、これは、昇圧圧縮機２６により多くの動力を送る必要があることから、好適ではない。
【００３７】
後で考察するように、ブースト圧力空気ストリーム３２を液化することを介して生成される液体空気ストリーム３６が液体エキスパンダ５２内に導入され得、それによりプラントでのさらなる冷却の需要が生み出される。膨張後の液体空気ストリーム３６は第１の二次的な液体空気ストリーム５４及び第２の二次的な液体空気ストリーム５６に分割され得る。後で考察する手法で、第１の二次的な液体空気ストリーム５４が高圧塔５８内に導入され、第２の二次的な液体空気ストリーム５６が低圧塔６０内に導入される。
【００３８】
空気分離ユニット３は、高圧塔５８と、低圧塔６０と、アルゴン塔６２とを備える。これらの塔はすべて、トレイ、又は、例えば成形充填物といったような充填物、或いはトレイと充填物との組み合わせなどの、物質移動接触要素を包含する。高圧塔５８内に導入される組み合わせのストリーム５０から発生する上昇気相が常に窒素含有率が高くなり、それにより窒素富化蒸気塔頂留出物が生成され、この窒素富化蒸気塔頂留出物は窒素富化蒸気ストリーム６４として、低圧塔６０の液だめ内に位置する復水再沸器６６内に引き込まれて凝縮され、それにより窒素富化液体ストリーム６８が生成される。酸素富化液体塔底液７０の一部が、窒素富化蒸気ストリーム６４の凝縮に際して蒸発する。窒素富化液体ストリーム６８の一部７２が環流として高圧蒸留塔５８に戻され、それにより降下液相が確立され、この降下液相は上昇気相に接触することにより常に酸素含有率が高くなり、それにより高圧塔５８の粗製液体酸素塔底液７４が生成される。
【００３９】
粗製液体酸素塔底液７４から構成される粗製液体酸素ストリーム７５が低圧塔６０内でさらに精製される。この目的のために、粗製液体酸素ストリーム７５は過冷却ユニット７６内で過冷却され、その後分割される。粗製液体酸素ストリーム７５の一部７８が、エキスパンション・バルブ８０内での膨張後に、低圧塔６０内に導入される。次いで、粗製液体酸素ストリーム７５の一部８２がエキスパンション・バルブ８４により膨張されてアルゴン・コンデンサ１０２内に導入され、そこで、部分的に蒸発し、それにより気相及び液相が得られる。これらの液相及び気相からそれぞれ構成される液相ストリーム８６及び気相ストリーム８８が低圧塔６０内に導入される。低圧塔６０で、高圧塔５８から除去された窒素含有環流ストリーム９０があるレベルで環流し、ここではこのストリームは、窒素富化液体ストリーム６８の一部７２より窒素含有量が低い。窒素含有液体ストリーム９０が過冷却ユニット７６内で過冷却され、エキスパンション・バルブ９２により膨張され、低圧塔６０内に導入される。
【００４０】
アルゴン塔６２の利点は、降下液相からアルゴンが分離されることにより、酸素の回収が改善されることである。アルゴン含有蒸気ストリーム９４が低圧塔６０から除去され、アルゴン塔６２内に導入されて精留され、それによりアルゴン富化塔頂留出物及び酸素含有液体塔底液９６が生成される。酸素含有液体塔底液９６から構成される酸素含有液体ストリーム９８が低圧塔６０に戻される。アルゴン富化蒸気塔頂留出物がアルゴン富化蒸気ストリーム１００として除去されてアルゴン・コンデンサ１０２内で凝縮され、それによりアルゴン塔６２のための環流が得られる。本明細書で示されるアルゴン・コンデンサは、シェル１０４と、シェル１０４内にある熱交換器１０６とを有する。過冷却されて膨張された後の粗製液体酸素ストリーム７５の一部８２がシェル１０４内に導入され、シェル１０４において、この粗製液体酸素ストリーム７５の一部８２が、熱交換器１０６を通過するアルゴン富化蒸気ストリーム１００中に含まれるアルゴン富化蒸気を凝縮させるのと反対に、部分的に蒸発し、それにより液相及び気相が得られる。これらの液相及び気相から構成される液相ストリーム８６及び気相ストリーム８８が低圧塔６０内に再び導入される。得られたアルゴン富化液体ストリーム１０８は相分離器１１０内に入り、それにより気相ストリーム１１２として排出される気相と、液体環流ストリーム１１４として相分離器１１０から排出されてアルゴン塔６２内に再び導入される液相とが生成される。この目的は、規定外の動作（ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ  ｅｘｃｕｒｓｉｏｎ）時にストリーム１００内で窒素が増加するのを防止することである。当技術分野で知られているように、窒素が過剰に存在すると、温度差が縮小されることにより復水器１０６の動作が停止する可能性がある。アルゴン生成物ストリーム１１６が液体又は蒸気としてアルゴン塔から除去され得る。
【００４１】
示される実施例では、熱交換器１０６は、第２の二次的な液体空気ストリーム５６を過冷却するための１組の通路を備える。得られる過冷却された第２の二次的な液体空気ストリーム１１８は、エキスパンション・バルブ１２０により低圧塔６０の圧力まで膨張され、低圧塔６０内に導入される。この場合の利点は、アルゴンを回収することと共に、酸素の回収が改善されることである。
【００４２】
酸素富化液体塔底液７０から構成される酸素富化液体ストリーム１２２が、第１の酸素富化液体ストリーム１２４及び第２の酸素富化液体ストリーム１２６に分割され得る。第１の酸素富化液体ストリーム１２４がポンプ１２８内で超臨界圧力まで加圧（ポンピング）され、加圧液体酸素ストリーム１３０が生成される。第２の酸素富化液体ストリーム１２６は任意選択であり、生成物として取り出され得る。別法として及び／又は加えて、加圧液体酸素の一部も生成物として取り出され得る。次いで、加圧液体酸素ストリーム１３０が高圧熱交換器２８内で超臨界温度まで加熱され、酸素生成物ストリーム１３２が超臨界流体として排出される。
【００４３】
上で言及したように、ブースト圧力の空気ストリームに必要となる圧力を低減するために、窒素富化液体ストリーム６８の一部から形成される液体窒素ストリーム１３３が高圧熱交換器２８内で蒸発され、それにより所定の圧力の窒素生成物ストリーム１３４が生成される。このストリームは窒素富化液体ストリーム６８と等しい圧力を有するものとして示されるが、液体窒素ストリーム１３３は、高圧窒素が必要となる場合のストリーム中に含有される窒素の超臨界圧力未満の圧力まで加圧されてもよい。しかしこの窒素は、加熱中に実際に蒸発するような圧力であることが重要である。また、窒素富化液体ストリーム６８の別の部分から構成される別の液体窒素ストリーム１３６が過冷却ユニット７６内で過冷却され得、任意選択の液体窒素生成物ストリーム１３８として取り出され得ることにも留意されたい。しかし、液体窒素ストリーム１３３は、環流ストリーム７２として高圧塔５８に戻されない窒素富化液体ストリーム６８の一部の少なくとも９０パーセントを構成しなければならない。さらに、液体窒素ストリーム１３３及び加圧液体酸素ストリーム１３０の流量は約０．３から約０．９０の間の比率でなければならない。この点に関して、加圧液体酸素ストリーム、又は高圧熱交換器２８内で加熱されるその一部が、酸素富化液体ストリーム１２２の流量の少なくとも９０パーセントを構成しなければならない。比率が０．９０を超えると、酸素生成物が、それ以外の場合で蒸発窒素を生成させることなく生成されるであろう酸素生成物の量の約９４パーセントまで低下する。後で考察するように、この下限は、ブースト圧力空気ストリーム３２のブースト圧力を低下させることができる有意な効果が得られなくなるところの限界である。このような窒素の流量が、流れ経路のための適切なサイズの、配管及び熱交換器などの設備を備えるバルブにより制御され得ることに注目されたい。窒素が加圧される場合、ポンプの流量特性及びヘッド特性が窒素の流量を制御する。また、液体窒素ストリーム１３３は、約３４バール（絶対）である超臨界圧力を超えるまで加圧されない範囲で加圧されてよい。
【００４４】
０．３の下限は図２を参照して最もよく説明され得る。図２に示されるように、８０バール（絶対）の加圧液体酸素ストリームが超臨界温度まで加熱され、ここでは、多様な比率で液体窒素ストリームが蒸発する。すべての場合において、計算しやすいように、液体生成物の量を少なくした。明らかなように、０．３０未満において、曲線がもはや線形ではなくなるような変曲点が存在する。したがって、酸素に対する窒素の比率が約０．３０未満では、液体窒素を蒸発させることの効果が漸進的に低下する。
【００４５】
図３は、約０．８５の比率での、高圧熱交換器２８などの熱交換器内における複合加熱曲線及び複合冷却曲線を示しており、８０バール（絶対）の圧力で加圧酸素が超臨界温度まで加熱される。昇圧空気ストリームの最適な圧力は６８バール（絶対）である。図４では、比率は０．０まで低減されている。明らかなように、最適な空気圧力は１１０バール（絶対）である。図５に示されるように、使用した酸素に対する窒素の比率は０．２である。最適な空気圧力は９２バール（絶対）である。図４及び図５では、圧力が図３の圧力より高いが、空気を圧縮して昇圧空気ストリームを形成するのに必要となるエネルギーは図３の場合より少ないことに注目されたい。これは、図３の場合では、液体窒素を蒸発させる際に損失が生じ、より多くの昇圧空気流れが必要になることが理由である。しかし、窒素が高圧塔又は低圧塔からの蒸気として引き込まれ、熱交換器２８内で加圧及び蒸発されない場合に、同量の加圧窒素を供給するためには、代わりに窒素を外部で圧縮しなければならない。この場合、より高く昇圧された空気流れに伴うエネルギー損失の大部分が回避される。このエネルギー損失は、それ以外の場合でブースト圧力空気ストリーム３２などの昇圧空気ストリームの高い圧力に耐えるのに必要となる熱交換器のコスト及び有用性に対して、さらには、必要である場合には追加の窒素圧縮機のコストに対して、比較衡量されなければならない。したがって、それ以外のものがすべて等しい場合、液体窒素を使用することにより、ブースト圧力空気ストリーム３２の圧力を低下させることが可能となる。
【００４６】
例えば図３を参照すると、液体窒素ストリームが一定の温度で蒸発し、それによりコールド・エンド付近に低温複合曲線の平坦区間が見られる。加圧液体酸素の圧力は酸素の臨界圧力（約５１バール（絶対））に等しいか又はそれを超える。したがって液体窒素ストリームとは異なり、加圧酸素ストリームは温められるときに沸騰しない。しかし、熱容量が著しく高い場合、超臨界酸素が「擬似沸騰」するようなゾーンが存在する。これは、図３の低温複合曲線の、酸素の臨界温度（１５５Ｋ）付近で始まる平坦ゾーンで観察され得る。図３、４及び５では、液体窒素ストリームの流量が低温の複合温度プロファイルに大きく影響する。例えば、図３では、加圧酸素ストリームが約０．４５の負荷（ｄｕｔｙ）のところで「擬似沸騰」し始める。液体窒素ストリームの流量がゼロである図４では、加圧酸素ストリームは約０．３０の負荷のところで「擬似沸騰」し始める。ブースト圧力空気ストリームの最適圧力では（図３〜５では高温複合曲線で示される）、酸素の臨界温度付近でアプローチ温度差が最小となる。好適には、このアプローチ温度差は約１．０Ｋであるが、わずか０．５Ｋ程度である場合もあり、又は５．０Ｋ程度に高くなる場合もある。酸素の圧力によっては、この最小温度差は１５０Ｋから１８０Ｋの間の範囲に見られる。熱交換器内で、例えばウォーム・エンド付近に、同時に別の最小温度差が見られる場合もある。この最適設計条件により、熱交換器の所与の全表面積に対する全消費動力が最小化される。また、高温複合曲線と低温複合曲線との間の面積が概して最小化される。この条件下では、高温複合ストリームと低温複合ストリームとの間での熱伝達が最も熱力学的に可逆になることから、動力消費が最小化される。この条件を実現するために、昇圧空気ストリームの圧力が最適化される。したがって、液体窒素ストリームの量が増加すると、昇圧空気ストリームの最適な圧力が低下し、これは高温複合曲線の形状に影響する。図３の場合、昇圧空気ストリームの最適な圧力は６８バール（絶対）であり、図４の場合、昇圧空気ストリームの最適な圧力は１１０バール（絶対）であり、図５の場合、昇圧空気ストリームの最適な圧力は９２バール（絶対）である。昇圧空気ストリームの圧力が低下することにより、高温複合曲線の変化が大きくなり、これは超臨界のブースト圧力空気ストリームの「擬似凝縮」に関係する。これにより、１５０Ｋから１８０Ｋにおけるアプローチ温度差を、より高い比率の液体窒素ストリームにおける最適な値まで低減することが可能となる。昇圧空気ストリームの圧力が最適条件未満までさらに低下すると、バンク型熱交換器における高温複合曲線が過度に変化することから、１５０Ｋから１８０Ｋにおいて温度差を正に維持することが不可能となる。したがって、昇圧空気ストリームの圧力が明確にその最適値未満まで低下すると、バンク型熱交換器において必要となる熱伝達を行うことが不可能となる。非バンク型の熱交換器の場合、ブースト圧力空気ストリームの圧力をさらに低下させることは可能であるが、必要となる流量が増加し、それにより動力消費も増大する。
【００４７】
低圧塔６０の窒素富化蒸気塔頂留出物から構成される窒素蒸気ストリーム１４０は、好適には、第１の窒素蒸気ストリーム１４２及び第２の窒素蒸気ストリーム１４４に分割される。第１の窒素蒸気ストリーム１４２は、過冷却ユニット７６で必要とされる過冷却の負荷のために過冷却ユニット７６内に導入され、次いで、低圧熱交換器２２内で完全に温められる。第２の窒素蒸気ストリーム１４４は高圧熱交換器２８内に導入され、完全に温められ、廃棄窒素ストリーム１４６として排出される。第１の窒素ストリーム１４２及び第２の窒素ストリーム１４４の流量は、高圧熱交換器２８及び低圧熱交換器２２の温度プロファイルが最適に釣り合わされるように、既知の手法で選択されるべきである。これは、熱交換器２８及び２２の温度の接近が密になるのを回避することを目的として、さらには、必要となる熱伝達表面を最小化することを目的として実施される。完全に温められた後の第１の窒素ストリーム１４２は、予備浄化ユニット１８内で吸着剤を再生するのに使用される再生ストリーム１４８と、廃棄窒素ストリーム１５０として排出される残りの部分とに分割され得る。高圧熱交換器内の第２の窒素ストリーム１４４が、上記の酸素に対する窒素の比率に影響しないことに留意されたい。
【００４８】
示されるように、必要である場合には高圧である、得られる窒素生成物ストリーム１３２は圧縮機１５２により部分的に圧縮され得、それにより高圧窒素ストリーム１５４が生成される。その場合、窒素生成物ストリーム１３２の残りの部分は低圧窒素ストリーム１５６として取り出され得る。
【００４９】
下の表は、本発明による空気分離プラント１の動作をシミュレートした実例である。
【表１】
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【００５０】
本発明を、当業者が思いつくような好適な実施例を参照しながら説明してきたが、添付の特許請求の範囲に記載される本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、多くの変更、追加及び省略が行われ得る。