(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮及び冷却された原料空気の深冷分離によってアルゴンを含有する生成物を獲得するために構成されている空気分離装置（１００）であって、
前記空気分離装置（１００）は、高圧塔（１）と、複数の部分から構成された低圧塔と、複数の部分から構成された粗アルゴン塔とを有し、
前記複数の部分から構成された低圧塔は、底部（２）と、該底部（２）から空間的に分離して配置された頂部（３）とを有し、
前記複数の部分から構成された粗アルゴン塔は、底部（４）と、該底部（４）から空間的に分離して配置された頂部（５）とを有し、
前記高圧塔（１）において、前記原料空気の少なくとも一部から、少なくとも１つの酸素が富化された流れ（ｄ）が獲得され、
前記低圧塔において、前記酸素が富化された流れ（ｄ）の少なくとも一部から、少なくとも１つのアルゴンが富化された流れ（ｍ）が獲得され、
前記粗アルゴン塔において、前記アルゴンが富化された流れ（ｍ）の少なくとも一部から、少なくとも１つのアルゴンに富む流れ（ｎ）が獲得される
空気分離装置（１００）において、
前記低圧塔の前記頂部（３）の下側領域からの流れと、前記粗アルゴン塔の前記底部（４）の下側領域からの流れとを合わせた流れの少なくとも一部となる液体流れ（ｎ）が、共通の１つのポンプ（１８）によって、前記低圧塔の前記底部（２）の上側領域へと移送される
ことを特徴とする、空気分離装置（１００）。
【請求項２】
前記粗アルゴン塔の前記底部（４）及び／又は前記頂部（５）は、測地的に少なくとも部分的に前記低圧塔の前記頂部（３）に隣接して配置されている
ことを特徴とする、請求項１記載の空気分離装置（１００）。
【請求項３】
前記粗アルゴン塔の前記底部（４）又は前記頂部（５）は、測地的に完全に前記低圧塔の前記頂部（３）の上方に配置されている
ことを特徴とする、請求項１記載の空気分離装置（１００）。
【請求項４】
前記低圧塔の前記底部（２）は、垂直平面図において前記低圧塔の前記頂部（３）に隣接して配置されており、
及び／又は、
前記粗アルゴン塔の前記底部（４）は、垂直平面図において前記粗アルゴン塔の前記頂部（５）に隣接して配置されている
ことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項記載の空気分離装置（１００）。
【請求項５】
前記高圧塔（１）は、前記低圧塔の前記底部（２）と共に１つのコールドボックス内に配置されている
ことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項記載の空気分離装置（１００）。
【請求項６】
前記粗アルゴン塔の前記底部（４）又は前記頂部（５）は、前記低圧塔の前記頂部（３）と共に１つのコールドボックス内に配置されている
ことを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項記載の空気分離装置（１００）。
【請求項７】
少なくとも、前記低圧塔の前記頂部（３）と、前記粗アルゴン塔の前記底部（４）又は前記頂部（５）とを備える前記コールドボックスは、配管モジュールによって前記空気分離装置（１００）の別の構成要素に接続される
ことを特徴とする、請求項６記載の空気分離装置（１００）。
【請求項８】
前記高圧塔（１）と、前記低圧塔の前記底部（２）とは、１つの構造ユニットとして構成されており、かつ、主凝縮器（１２）を介して互いに熱交換されるように接続されている
ことを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項記載の空気分離装置（１００）。
【請求項９】
前記空気分離装置（１００）は、精製アルゴン塔（６）をさらに有し、
前記精製アルゴン塔の少なくとも１つの流体は、前記酸素が富化された流れ（ｄ）によって冷却される
ことを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項記載の空気分離装置（１００）。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一項記載の空気分離装置（１００）により、圧縮及び冷却された原料空気の深冷分離によってアルゴンを含有する生成物を獲得する方法であって、
高圧塔（１）と、複数の部分から構成された低圧塔と、複数の部分から構成された粗アルゴン塔とを使用し、但し、前記複数の部分から構成された低圧塔は、底部（２）と、該底部（２）から空間的に分離して配置された頂部（３）とを有し、前記複数の部分から構成された粗アルゴン塔は、底部（４）と、該底部（４）から空間的に分離して配置された頂部（５）とを有し、
前記高圧塔（１）において、前記原料空気の少なくとも一部から、少なくとも１つの酸素が富化された流れ（ｄ）を獲得し、
前記低圧塔において、前記酸素が富化された流れ（ｄ）の少なくとも一部から、少なくとも１つのアルゴンが富化された流れ（ｍ）を獲得し、
前記粗アルゴン塔において、前記アルゴンが富化された流れ（ｍ）の少なくとも一部から、少なくとも１つのアルゴンに富む流れ（ｎ）を獲得し、
前記低圧塔の前記頂部（３）の下側領域からの流れと、前記粗アルゴン塔の前記底部（４）の下側領域からの流れとを合わせた流れの少なくとも一部となる液体流れ（ｎ）を、共通の１つのポンプ（１８）によって、前記低圧塔の前記底部（２）の上側領域へと移送する
ことを特徴とする、方法。
【請求項１１】
前記粗アルゴン塔の前記底部（４）及び／又は前記頂部（５）は、測地的に少なくとも部分的に前記低圧塔の前記頂部（３）に隣接して配置されている
ことを特徴とする、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記粗アルゴン塔の前記底部（４）又は前記頂部（５）は、測地的に完全に前記低圧塔の前記頂部（３）の上方に配置されている
ことを特徴とする、請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
請求項１から９のいずれか一項記載の空気分離装置（１００）を建造する方法であって、
高圧塔（１）と、底部（２）及び頂部（３）を備える、複数の部分から構成された低圧塔と、底部（４）及び頂部（５）を備える、複数の部分から構成された粗アルゴン塔とを用意し、
さらに、共通の１つのポンプ（１８）を用意し、
前記共通の１つのポンプ（１８）によって、前記低圧塔の前記頂部（３）の下側領域からの流れと、前記粗アルゴン塔の前記底部（４）の下側領域からの流れとを合わせた流れの少なくとも一部となる液体流れ（ｎ）を、前記低圧塔の前記底部（２）の上側領域へと移送する
ことを特徴とする、方法。
【請求項１４】
前記粗アルゴン塔の前記底部（４）及び／又は前記頂部（５）を、測地的に少なくとも部分的に前記低圧塔の前記頂部（３）に隣接して配置する
ことを特徴とする、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記粗アルゴン塔の前記底部（４）又は前記頂部（５）を、測地的に完全に前記低圧塔の前記頂部（３）の上方に配置する
ことを特徴とする、請求項１３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気分離装置と、空気の深冷分離によってアルゴン生成物を獲得する方法と、相応する空気分離装置を建造する方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
空気の深冷分離によるアルゴンの獲得は、例えば『ウルマン工業化学百科事典（Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry）』（doi: 10.1002/14356007.a17_485）の“Noble Gases”の記事に記載されている。例えば同記事の図１８に示されているように、窒素と酸素を分離するための公知の複塔式システムと、追加的なアルゴン獲得ユニットとを備える従来の空気分離装置において、アルゴンを獲得することができる。
【０００３】
このような複塔式システムでは、アルゴンは、低圧塔内のいわゆるアルゴン転移部（アルゴン中腹部又はアルゴン気泡部とも呼ばれる）の領域において富化され、そこで濃度は気相中で最大１５％に達する。実際の使用では、アルゴンが富化された流れの窒素含有量を低減するために、当該アルゴンが富化された流れは、当該アルゴンが富化された流れのアルゴン最大値に若干満たない状態で低圧塔から取り出される。
【０００４】
アルゴンが富化された流れは、いわゆる粗アルゴン塔へと移送される。粗アルゴン塔は、アルゴンと酸素を分離するための分離塔である。粗アルゴン塔は、従来の空気分離装置では１つの部分からなる塔によって構成されうるが、例えば欧州特許第０６２８７７７号明細書に記載されるように、２つ以上の部分からなる塔とすることも可能である。
【０００５】
公知の粗アルゴン塔へは、例えば１０％のアルゴン含有量を有する、アルゴンが富化された流れが供給される。粗アルゴン塔にて、ここからアルゴンに富む流れが獲得され、このアルゴンに富む流れは、後置接続された精製アルゴン塔にて再度精製することができる。精製アルゴン塔では、９９．９９９９％以上のアルゴン含有量を有するアルゴン生成物を獲得することができる。このアルゴン生成物は、保管及び輸送を容易にするために通常は液体状で獲得される。
【０００６】
上述した形式のアルゴン獲得プロセスは、例えば以下の文献から公知である：独国特許出願公開第２３２５４２２号明細書、欧州特許出願公開第０１７１７１１号明細書、欧州特許第０３７７１１７号明細書（米国特許第５０１９１４５号明細書に対応）、独国特許出願公開第４０３０７４９号明細書、欧州特許第０６２８７７７号明細書（米国特許第５４２６９４６号明細書）、欧州特許出願公開第０６６９５０８号明細書（米国特許第５５９２８３３号明細書）、欧州特許第０６６９５０９号明細書（米国特許５５９０５４４号明細書）、欧州特許出願公開第０９４２２４６号明細書、欧州特許出願公開第１１０３７７２号明細書、独国特許出願公開第１９６０９４９０号明細書（米国特許５６６９２３７号明細書）、欧州特許出願公開第１２４３８８２号明細書（米国特許出願公開第２００２／１７８７４７号明細書）、欧州特許出願公開第１２４３８８１号明細書（米国特許出願公開第２００２／１８９２８１号明細書）、仏国特許出願公開第２９６４４５１号明細書。
【０００７】
アルゴンを獲得するための空気分離装置を建造する際には、使用される塔の寸法、特に粗アルゴン塔の寸法に起因した課題が生じる。窒素と酸素を分離するための複塔式システムは、全体として殆ど６０ｍの高さに達することがあり、１つの部分からなる形態の粗アルゴン塔も同様にこの範囲にある。
【０００８】
相応の空気分離装置は、プレハブ式に製造することがほぼ不可能である。なぜなら、基本的に、それぞれの構成要素群を長距離輸送することはもはや不可能だからである。このことは、空気分離装置をそれぞれの目的地で建造しなければならないということを意味する。このことは種々の理由から、特に目的地で相応の人員を調達することは不可能又は高コストであることから不利である。従って、相応の空気分離装置の建造コストは、著しく増加してしまう。
【０００９】
これに対して、相応の空気分離装置の大部分を、製造場所にてモジュール式に建造することが望ましい。個々の構成要素は、好ましくは既に製造場所にて相応のコールドボックス内に収容され、目的地ではただ互いに結合させるだけでよい。このために有利にはモジュール、いわゆる配管スキッドを使用することも可能である。
【００１０】
米国特許出願公開第２００１／０００１３６４号明細書においては、アルゴンを獲得するための空気分離装置の一部の塔を２つの部分から構成し、これらの塔のためのコールドボックスの縮小を可能にする配置が提案される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
この分割によって空気分離装置の建造は容易にはなるが、それでもなお、改善に対する要求は存在する。従って、本発明の基礎となる課題は、冒頭に述べた形式の空気分離装置を、経済的に特に有利に建造すること及び動作させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の開示
上述の背景を踏まえて本発明は、各独立請求項に記載の特徴を有する、空気分離装置と、空気の深冷分離によってアルゴン生成物を獲得する方法と、相応の空気分離装置を建造する方法とを提案する。好ましい実施形態は、それぞれ従属請求項並びに以下の説明の対象である。
【００１３】
本発明の利点
本発明によれば、圧縮及び冷却された原料空気の深冷分離によってアルゴンを含有する生成物を獲得するために構成されている空気分離装置が提案される。空気分離装置は、高圧塔と、複数の部分から構成された低圧塔と、複数の部分から構成された粗アルゴン塔とを有する。前記複数の部分から構成された低圧塔と、前記複数の部分から構成された粗アルゴン塔とは、それぞれ少なくとも１つの底部と、該底部から空間的に分離して配置された少なくとも１つの頂部とを有する。特に、前記複数の部分から構成された低圧塔と、前記複数の部分から構成された粗アルゴン塔とは、それぞれ２つの部分から構成されている。
【００１４】
空気分離装置は、冒頭に述べた原理に基づいて動作し、該空気分離装置の低圧塔から、アルゴンが富化された流れを取り出すことが可能である。
【００１５】
“アルゴンを含有する生成物”というのは、例えば液体アルゴン（ＬＡＲ）、気体アルゴン（ＧＡＲ、場合によってはいわゆる内部圧縮によって得られる）、又は、いわゆる疑似アルゴン（冷温状態において気体状で残留気体へと供給される不純アルゴン）とすることができる。本発明は、以下では主として液体精製アルゴン（ＬＡＲ）を例にして説明し、これを簡略して“アルゴン生成物”と呼ぶ。
【００１６】
“２つの部分から構成された”塔は、上述したように、２つの部分（頂部及び底部）が空間的に互いに分離して配置可能に構成されている。公知の空気分離装置は、高圧塔と低圧塔とが互いに分離して配置されていて、かつこれらが塔頂凝縮器を介して互いに熱交換されるように接続されている、窒素と酸素を分離するための塔システムを有しうる。このような塔システムは、“２つの部分から構成されている”。従って、この“２つの部分から構成された”という表現は、これに該当する構成と、構成要素同士が互いに永続的に結合されていて互いに分離して配置することが不可能な構造ユニットとを区別している。
【００１７】
“底部”及び“頂部”というのはそれぞれ、２つの部分から構成された塔の部分を意味しており、これらの部分は、その機能に関して、特にこれらの部分で発生する留分又は流れに関して、従来の１つの部分から構成された塔の最も下の部分又は最も上の部分に相当する。底部は例えば液溜容器を有し、頂部は例えば塔頂凝縮器を有する。従って頂部は、対応する凝縮器に接続されている塔の一部分であり、当該部分にて対応する塔へと還流が排出される。公知の空気分離装置の、１つの部分から構成された低圧塔の場合には、液溜内にて酸素に富む液体留分が得られ、この液体留分を酸素生成物として取り出すことができる。このことは、相応にして、２つの部分から構成された低圧塔の底部の液溜内においても実施される。相応にして、公知の空気分離装置の、１つの部分から構成された低圧塔の頂部にて気体の窒素生成物を取り出すことができ、同じことが、２つの部分から構成された低圧塔の頂部の上側部分でも実施される。１つの部分から構成された粗アルゴン塔の塔頂において、また相応にして、２つの部分から構成された粗アルゴン塔の頂部の上側部分において、粗アルゴン流れが取り出され、精製アルゴン塔へと移送される。そして、１つの部分から構成された粗アルゴン塔の液溜から、また相応にして、２つの部分から構成された粗アルゴン塔の底部の液溜から、発生した液溜生成物が低圧塔へと返送される。
【００１８】
“複数の部分から”構成された低圧塔及び／又は粗アルゴン塔が、３つ以上の部分を有する場合には、底部と頂部との間に追加的な中間部が設けられている。個々の部分（底部、頂部、場合によっては中間部）は、管路と、場合によってはポンプとを介して互いに接続されており、このようにして、それぞれ１つの部分からなる塔の場合でも実施されるような動作が実施される。
【００１９】
本発明の空気分離装置は、一般的な方法で構成されている。このことはつまり、高圧塔において、例えば複数の原料空気流れの形態で供給可能な原料空気の少なくとも一部から、少なくとも１つの酸素に富む流れを獲得することができるということを意味する。この酸素に富む流れは、少なくとも部分的に、複数の部分からなる低圧塔へと、すなわちまずは、複数の部分からなる低圧塔の底部へと移送することができる。複数の部分からなる低圧塔においては、上述したように、いわゆるアルゴン転移部において、酸素が富化された流れの少なくとも一部から、少なくとも１つのアルゴンが富化された流れを獲得することができる。このアルゴンが富化された流れは、複数の部分からなる粗アルゴン塔へと、すなわちまずは同様に、複数の部分からなる粗アルゴン塔の底部へと移送することができる。粗アルゴン塔において、アルゴンが富化された流れの少なくとも一部から、少なくとも１つのアルゴンに富む流れを獲得することができる。
【００２０】
各流体に対して、本明細書では“流れ”及び“留分”なる用語が使用される。“流れ”は、例えば対応する管路において継続的に導かれる流体である。“留分”は、例えば空気のような出発混合物の１つの成分であって、該出発混合物から分離することが可能な成分である。このような留分は、各管路系統又は塔において流れとして随時導くことができる。
【００２１】
流れ又は留分は、１つ以上の含有する成分に関して“富化”することができ、富化された流れ又は留分は、１つ以上の相応に示された成分に関して、出発混合物よりも高い含有量を有する。特に、含有量が、出発混合物の相応の含有量の少なくとも２倍、５倍、１０倍、又は１００倍に相当する場合に、富化されたと言える。１つ以上の成分に関して“富む”流れは、当該（１つ以上の）成分を主として有する。例えばアルゴンに富む流れは、モル量又はモル体積をベースにして少なくとも８０％、９０％、９５％、又は９９％のアルゴンを有しうる。
【００２２】
本発明の空気分離装置は、低圧塔の頂部の下側領域と、粗アルゴン塔の底部の下側領域とからの少なくとも１つの液体流れを、共通の１つのポンプによって、低圧塔の底部の上側領域へと移送可能であるという点で優れている。
【００２３】
本発明は、塔又は塔の部分の、種々異なる配置を含みうる。従って、粗アルゴン塔の底部及び／又は頂部は、測地的に少なくとも部分的に低圧塔の頂部に隣接して配置することができる。この場合に、高圧塔と、低圧塔の頂部と、粗アルゴン塔の底部及び頂部とを、測地的に少なくとも部分的に互いに隣接して配置することも可能である。別の１つの実施形態によれば、粗アルゴン塔の底部又は頂部は、測地的に完全に低圧塔の頂部の上方に配置されている。好ましくはまた、低圧塔の底部が、垂直平面図において低圧塔の頂部に隣接して配置されており、粗アルゴン塔の底部が、垂直平面図において粗アルゴン塔の頂部に隣接して配置されている。それと同時に、粗アルゴン塔の底部又は頂部が、測地的に完全に低圧塔の頂部の上方に配置されている場合には、一方では、高圧塔と、低圧塔の底部とが、垂直平面図において少なくとも部分的に上下に重なり合って配置されており、他方では、粗アルゴン塔の頂部又は底部と、低圧塔の頂部とが、垂直平面図において少なくとも部分的に上下に重なり合って配置されている。
【００２４】
本明細書の範囲内において、“測地的に少なくとも部分的に・・・に隣接して”というのは、詳細に示された各塔又は各塔部分（ここでは例えば粗アルゴン塔の底部及び／又は頂部）の最も低い点が、対応する別の塔又は塔部分（ここでは例えば低圧塔の頂部）の最も高い点よりも下方にあるということを意味する。詳細に示された各塔又は各塔部分の最も低い点が、１つの平面上に位置していてもよい。つまり、粗アルゴン塔の底部及び／又は頂部が測地的に少なくとも部分的に低圧塔の頂部に隣接して配置されているという上記の実施形態の場合には、粗アルゴン塔の底部及び／又は頂部と、低圧塔の頂部とを切断している１つの水平断面が存在する。
【００２５】
相応にして、“測地的に完全に・・・の上方に”というのは、詳細に示された各塔又は各塔部分（ここでは例えば粗アルゴン塔の底部又は頂部）の最も低い点が、対応する別の塔又は塔部分（ここでは例えば低圧塔の頂部）の最も高い点よりも上方にあるということを意味する。上記の場合において、測地的に完全に低圧塔の頂部の上方に配置されている粗アルゴン塔の底部又は頂部の最も低い点が、低圧塔の頂部と流体接続されている場合には、液体は、圧力差を無視すると、完全に低圧塔の頂部へと流出する。
【００２６】
本明細書において、塔又は塔部分の“最も低い点”というのは、それぞれ、底側に配置された容器の底、例えば液溜容器の底、又は、各塔又は各塔部分の内部空間全体の底における最も低い位置である。これらの底に場合によって接続されうる管路は、塔には含まれない。塔又は塔部分の“最も高い点”というのは、塔又は塔部分の屋根である。塔又は塔部分が塔頂凝縮器を有する場合には、塔頂凝縮器の最も高い点が、塔又は塔部分の最も高い点である。
【００２７】
或る構成要素が“垂直平面図において・・・に隣接して”配置されているということは、対応する構成要素同士が、垂直投影図において互いに隣接して配置されているという配置を意味する。このことは、対応する構成要素同士が、各々異なる（測地的な）高さで互いに配置されているという態様を排除しない。例えば、低圧塔の底部を、垂直平面図において低圧塔の頂部に隣接して配置することができるが、しかしながら、低圧塔の頂部の測地的に最も高い点が低圧塔の底部の測地的に最も低い点をなお下回るように、高さに関する配置を種々異ならせることができる。これに対して構成要素同士が、“垂直平面図において少なくとも部分的に上下に重なり合って”配置されている場合には、これらの構成要素のそれぞれの周が、少なくとも部分的に重なり合っている。例えば、より省スペースに建設できるようにするために、粗アルゴン容器を横方向にずらしてもよい。
【００２８】
上述した実施形態における本発明の配置は、特に有利であることが判明している。なぜなら、こうすることによって、相応の空気分離装置を格段に低い高さで建造することが可能となるからである。例えば、本発明の手段によれば、約６０ｍの有効高さを有する粗アルゴン塔を備える空気分離装置を、相応に分割及び配置することにより、約４０ｍの全体構造高さで建造することが可能となる。
【００２９】
このために、上述の高さを有する粗アルゴン塔は、例えば２つの部分に分割される。同様にして２つに分割された低圧塔の頂部は、測地的に粗アルゴン塔の頂部又は底部の下方にて、共通の１つのコールドボックス内に配置することができる。この配置は、以下に詳細に説明する一連の追加的な利点を有する。低圧塔の底部は、高圧塔と共に１つの構造ユニットを形成し、同様にして、このようなものとして１つの相応のコールドボックス内に配置することができる。高圧塔と、低圧塔の底部とは、主凝縮器を介して互いに熱交換されるように接続することができる。この構成は、Linde社の複塔を備える従来の空気分離装置に相当する。
【００３０】
粗アルゴン塔の頂部又は底部と、低圧塔の頂部とのための相応のコールドボックスの高さは、たった約４０ｍである。これによって輸送は容易になる。同様のことが、高圧塔と、低圧塔の底部とを含むコールドボックスにも当てはまる。粗アルゴン塔の残りの部分も、約４０ｍの構造高さを要する。
【００３１】
従って、空気分離装置を特に低コストに建造することが可能となり、特に、上述した本発明のポンプ装置に基づいて動作させることが可能となる。特に、このような空気分離装置を、完全に製造場所においてプレハブ式に製造しておくことが可能となり、相応のコールドボックス内で、モジュール式のユニットの形態で、目的地へと輸送することが可能となる。多数の構成要素を目的地にて手間を掛けて接続する必要はもはやない。装置の構成要素の全体を、その機能性に関し、工場にて特に簡単に検査することが可能となり、このことによって場合によっては、目的地での個々の構成要素の面倒な故障診断が不要となる。
【００３２】
本発明の空気分離装置の動作時に、上述したように、低圧塔の頂部の下側領域からの液体流れと、粗アルゴン塔の底部の下側領域からの液体流れとを、共通の１つのポンプによって、低圧塔の底部の上側領域へと移送可能であることによって、格別の利点が奏される。こうすることによって、複数の異なるポンプの用意と、相応のエネルギー消費量と、これに伴う熱入力と、相応のメンテナンスの必要性とが完全に省略される。
【００３３】
低圧塔は、好ましくは、上述したアルゴン転移部が低圧塔の頂部と底部との間の分割位置に設けられるように構成及び動作される。上述したように実際の使用では、アルゴンが富化された流れの窒素含有量を低減するために、当該アルゴンが富化された流れは、本来のアルゴン最大値に若干満たない状態で低圧塔から取り出される。このことを、分割位置の選択時及び低圧塔の動作時に考慮することができる。結果として、粗アルゴン塔の底部の下側領域からの流れと、低圧塔の頂部の下側領域からの流れは、同じ又は類似のアルゴン濃度を有するので、これらの流れを、共通の１つのポンプによって、低圧塔の底部の上側領域へと供給することが可能である。
【００３４】
本発明の空気分離装置は、種々異なる構成で建造することができ、特に配管スキッドを使用して、すなわち、プレハブ式に製造された配管も可能にする配管モジュールを使用して建造することができる。
【００３５】
本発明の空気分離装置はさらに、有利には、冒頭に述べた範囲の純度のアルゴンを獲得することが可能な精製アルゴン塔を含む。精製アルゴン塔は、上述したコールドボックスの１つの中に配置することができるか、又は、上述したコールドボックスとは別個に、特に専用のコールドボックスの中に配置することができる。
【００３６】
本発明の方法は、圧縮及び冷却された原料空気の深冷分離によってアルゴン生成物を獲得することを含む。本発明の方法は、上述した本発明の装置の利点を有し、これらを明示的に援用することができる。
【００３７】
以下、本発明の好ましい実施形態を示した添付図面を参照しながら、本発明について説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の特に好ましい実施形態に基づく、アルゴン生成物を獲得するための空気分離装置の概略図である。
【図２】本発明の特に好ましい実施形態に基づく、アルゴン生成物を獲得するための空気分離装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
各図において、互いに対応する要素には同一の参照符号が付されている。同じ要素を繰り返し説明することは省略する。
【００４０】
図１及び図２に図示された空気分離装置の構成要素の配置は単なる一例であり、特に、各図に示された構成要素、特に塔の寸法は、縮尺通りではないということを明記しておく。上述したように、対応する空気分離装置の粗アルゴン塔の高さは基本的に最も高いが、このことは図面では縮尺通りに表現されていない。エネルギーの利点を奏するために、アルゴンのみが取り出されるいわゆるダミー塔を備える装置も公知である。このような塔の高さは格段に低く、すなわち他の塔よりも低い。
【００４１】
図１には、アルゴン生成物を獲得するための本発明の空気分離装置が概略的に図示されており、この空気分離装置には、全体として参照符号１００が付されている。空気分離装置１００は、分離ユニットとして、高圧塔１と、底部２及び頂部３を備える２つに分割された低圧塔と、底部４及び頂部５を備える同様に２つに分割された粗アルゴン塔と、精製アルゴン塔６とを有する。低圧塔の底部２と頂部３とは、互いに構造的に分離されている。低圧塔の頂部３は、垂直平面図において高圧塔１に隣接して配置されており、低圧塔の底部２は、高圧塔１の上に配置されている。低圧塔の底部２及び頂部３は共に、Linde社の複式塔における従来の低圧塔に機能的に相応している。このようにして高圧塔１と、低圧塔の２つの塔部分２，３とが、窒素と酸素を分離するための１つの蒸留塔システムを構成している。
【００４２】
図示した実施例においては、圧縮及び冷却された原料空気は、２つの流れａ及びｂの形態で高圧塔１へと供給される。これら２つの流れａ，ｂは、一方がいわゆるタービン流れ（流れａ）であり、他方をいわゆるチョーク流れ（流れｂ）とすることができる。本発明の空気分離装置１００は、内部圧縮のために構成することができる。流れａ及びｂの形成は、例えば欧州特許出願公開第２０２６０２４号明細書に示されている。例えば大気中の空気は、フィルタを介して空気圧縮機によって吸い込まれ、そこで５．０〜７．０バール、好ましくは約５．５バールの絶対圧力に圧縮することができる。この空気は、この空気圧縮機自体において、又は、この空気圧縮機の下流に配置された別の圧縮機（二次圧縮機）において、より高い圧力へと圧縮され、膨張機によって後々に膨張させることができ、これによって例えば、空気分離装置１００の必要な寒冷の一部を満たすことができる。
【００４３】
この空気は、圧縮された後、例えば直接接触式冷却器における冷却水との直接的な熱交換によって冷却することができる。冷却水は、例えば蒸発冷却器及び／又は外部源から供給することができる。その後、圧縮及び冷却された空気を、清浄装置において清浄することができる。清浄装置は、例えば適切な吸着材料、好ましくはモレキュラーシーブが充填された一組の容器を有しうる。清浄された空気は、その後、一般的に主熱交換器において露点近傍まで冷却される。
【００４４】
それぞれ塔頂又は頂部の上側部分における動作圧力は、高圧塔１においては４．５〜６．５バール、好ましくは約５．０バールであり、低圧塔２，３においては１．２〜１．７バール、好ましくは約１．３バールである。低圧塔の底部２と頂部３は、好ましくは実質的に同じ圧力で動作される。しかしながらこのことは、例えば管路抵抗に起因する若干の圧力差を排除するわけではない。
【００４５】
高圧塔１と、低圧塔の底部２とは、主凝縮器１２を介して熱交換されるように接続されており、１つの構造ユニットとして構成されている。しかしながら基本的に、高圧塔１と低圧塔（又は低圧塔の底部２）とが互いに分離して配置されており、かつ塔に組み込まれていない別個の主凝縮器を有するといったシステムにおいても、本発明を使用することが可能である。
【００４６】
原料空気流れｂを高圧塔１へと供給する際に液化された空気は、その一部が相応の流れｃとして導出され、そして、過冷却・対向流熱交換器１３にて加熱され、その後、他の用途で使用されるか、又は、再び圧縮して原料空気流れａ，ｂとして供給することができる。
【００４７】
高圧塔１の液溜から、酸素が富化された留分ｄが取り出され、そして、過冷却・対向流熱交換器１３において過冷却され、そしてその一部が流れｅとして、精製アルゴン塔６の液溜蒸発器１４にてさらに冷却される。その他の部分は、液溜蒸発器１４の脇を通過することができる。流れｅの一部は、２つに分割された粗アルゴン塔の頂部５の塔頂凝縮器１５の蒸発室へと流入し、その他の部分は、精製アルゴン塔６の塔頂凝縮器１６の蒸発室へと流入する。酸素が富化された留分のうち、各塔頂凝縮器１５，１６にて蒸発された成分は、流れｆとして、低圧塔の頂部３の第１中間位置へと供給される。液体に留まる成分は、流れｇとして、低圧塔の頂部３の、前記第１中間位置の上方に位置する第２中間位置へと供給される。
【００４８】
高圧塔１の塔頂からの気体窒素は、その一部が流れｈとして、例えば原料空気を冷却する主熱交換器（図示せず）にて周囲温度近傍まで暖められ、その後、例えば欧州特許出願公開第２０２６０２４号明細書に示されるようにさらに処理することができる。
【００４９】
高圧塔１の塔頂からの残りの気体窒素は、主凝縮器１２において少なくとも部分的に凝縮される。この際に生成された液体窒素は、部分的に環流として高圧塔１へと排出される。その他の部分は、過冷却・対向流熱交換器１３にて過冷却された後、流れｉとして、低圧塔の頂部３の上側部分へと導かれる。低圧塔の頂部３の塔頂からの気体窒素流れｊは、過冷却・対向流熱交換器１３を通流後、種々の方法で利用することができる、又は、空気分離装置にて再利用することができる。
【００５０】
低圧塔の底部２の液溜からの液体酸素流れｋは、ポンプ１７によって液体による圧力が加えられ、その後、例えば液体酸素タンク（ＬＯＸ）へと供給することができる。この酸素の一部を、気体の加圧酸素を用意するために蒸発させることも可能である（いわゆる内部圧縮）。
【００５１】
低圧塔を底部２と頂部３とに分割すること、及び、これらの低圧塔の動作は、低圧塔の頂部３の下側部分にアルゴンが富化された留分が蓄積されるように実現される。この場合には、いわゆるアルゴン転移部（アルゴン中腹部又はアルゴン部分とも呼ばれる）の領域が重要である。この富化は、当業者には周知のように、窒素の揮発性と酸素の揮発性との間に位置する、アルゴンの揮発性からもたらされる。低圧塔において通常の還流比が使用される場合には、酸素が富化された留分が供給される中間位置の上方と下方とにアルゴン転移部が設けられる（流れｆ及びｇ）。アルゴン濃度は、気相中で最大１５％に達しうる。しかしながら通常は、本実施例でもそうであるように、窒素濃度を低減するためにこの中間位置の下方で、アルゴンが富化された流れが取り出される（流れｍ）。
【００５２】
本空気分離装置１００においては、低圧塔の底部２の上側部分からの流れＩが、低圧塔の頂部３の下側領域へと流入し、これによって低圧塔の底部２と頂部３とが部分的に機能的に結合される。同じ高さにおいて、低圧塔の頂部３からアルゴンに豊む流れｍが取り出され、粗アルゴン塔の底部４へと供給される。この供給は、粗アルゴン塔の底部４の液溜の直上で直接実施される。
【００５３】
低圧塔の頂部３の液溜と、粗アルゴン塔の底部４の液溜とからの液溜液は、ポンプ１８を介して、流れｎとして低圧塔の底部２へと帰還される。これによって、一方では、低圧塔の第１の塔部分２と第２の塔部分３との機能的な結合が完成され、他方では、粗アルゴン塔が底部４を介して分離ユニットに統合される。
【００５４】
粗アルゴン塔の頂部５の塔頂凝縮器１５は、還流凝縮器として構成することができる。粗アルゴン塔の頂部５の上端部からの気体は、還流通路へと流下し、そこで部分的に凝縮される。この際に生成された凝縮液は、上昇する気体に向流的に接触しながら還流通路へと流下し、粗アルゴン塔の頂部５にて液体還流として利用される。塔頂凝縮器１５は、蒸発側において浴凝縮器として構成されている。ここで高圧塔１からの液体状の酸素が富化された留分によって形成される冷却流体は、１つ以上の側方開口部を通って蒸発通路へと流下し、そこで部分的に蒸発される。熱サイフォン効果によって液体が同伴され、蒸発された成分と共に蒸発通路の上端部から流出し、液浴へと帰還される。それゆえ、塔頂凝縮器１５が、蒸発側において浴蒸発器として構成されている。
【００５５】
還流通路の上端部から、側方のヘッダを介して粗アルゴン流れｎが気体状で取り出され、精製アルゴン塔６の中間位置へと供給される。精製アルゴン塔６の塔頂凝縮器１６は、本実施例においては液体側にて従来通りに構成されており、すなわち、精製アルゴン塔６の塔頂気体流れｏが液化通路を通って上から下へと流れる。（これに代えて、精製アルゴン塔６の塔頂凝縮器１６及び／又は主凝縮器１２を、還流凝縮器として構成することも可能である。）精製アルゴン塔６の塔頂凝縮器１６から残留気体流れｐが取り出され、本実施例においては、大気（ＡＴＭ）へと吹き出される。これに代えて、この残留気体流れｐを、専用の送風機によって高圧塔１又は低圧塔２，３へと、及び／又は、空気圧縮機の上流へと帰還させてもよい。
【００５６】
精製アルゴン塔６の液溜液は、その一部が流れｐとして液溜蒸発器１４にて蒸発され、この際に生成された蒸気は、精製アルゴン塔６にて上昇する気体として利用される。残りは、液体の精製アルゴン生成物流れｑ（ＬＡＲ）として取り出される。
【００５７】
空気分離装置１００の各構成要素が、各々対応するコールドボックスへと統合されている様子が、図１に破線によって例示されている。参照符号Ａは、高圧塔１と、低圧塔の底部２とを収容するために構成されている第１のコールドボックスを示している。第２のコールドボックスＢは、低圧塔の頂部３を収容するために構成することができる。図示した実施例においては、第３のコールドボックスＣが、粗アルゴン塔の頂部５を収容するために構成されている。上述したように、低圧塔の頂部３と、粗アルゴン塔の頂部５（場合によっては精製アルゴン塔６も共に）とを、共通の１つのコールドボックス内に配置することも可能である。このようなコールドボックスは、例えば４０ｍの高さを有することができる。図示した実施例には、第４コールドボックスＤが縮小されて図示されており、同様に例えば４０ｍの高さを有する。
【００５８】
図２には、本発明の別の実施形態に基づく、アルゴン生成物を獲得するための空気分離装置が、さらに概略的に図示されている。この空気分離装置においては、各塔２〜６のみが図示されており、対応する接続部、ポンプ、及び、熱交換器の図示は大幅に省略されている。見て取れるように図１の図示とは異なり、粗アルゴン塔の底部４は、低圧塔の頂部３の上方に配置されている。これに代わる実施形態においては、本発明の装置にとって目的に適っている限り、粗アルゴン塔の分割を、図示した位置とは異なる位置で実施してもよい。この場合にも、粗アルゴン塔の底部４と低圧塔の頂部３とからの流体が、ポンプ１８を介して流れｎとして低圧塔の底部２へとポンピング可能であるという利点が奏される。これに代えて、粗アルゴン塔の底部４及び／又は頂部５を、測地的に少なくとも部分的に低圧塔の頂部３に隣接して配置する場合にも、このことが当てはまる。全ての塔部分１〜４を、測地的に少なくとも部分的に互いに隣接して配置することができる。
【００５９】
図示した全ての事例において、各塔に対する内部構造（複数の異なる密度を有するシーブトレイ、パッキン）の選択により、各塔の直径に対して相応の影響が及ぼされることがあり、これによって場合によっては別の構造的な適合を実施してもよい。
【図１】
0006257656.tif 000002
【図２】
0006257656.tif 000003