(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも高圧塔（１０）と一つの低圧塔（３０）とを含む多塔式蒸留装置を使用する空気の低温分離のための方法であって、
冷却した原料空気（１００）を高圧塔（１０）へ供給して高圧の窒素富化塔頂蒸気と粗液体酸素とに分離すること、
窒素と酸素を含む少なくとも一つの低圧塔原料流（１０４、１０６、１２０）を低圧塔（３０）へ供給して低圧の窒素に富む塔頂蒸気と液体酸素とに分離すること、
高圧塔（１０）からの又は高圧塔（１０）から得られる液体流（１１０）を還流として低圧塔（３０）へ供給すること、
５０モル％以下の酸素を含む酸素含有ガス（１０６、１２０、１５０）を補助分離塔（４０）へ供給して、窒素に富む補助分離塔塔頂蒸気と酸素に富む液とに分離し、当該補助分離塔にはリボイラーがなく、そして当該酸素含有ガスは低圧塔（３０）の中間の箇所から取り出されたガス（１５０）を含むこと、
補助分離塔（４０）からの酸素に富む液（１５４）を低圧塔（３０）の中間の箇所へ供給すること、及び
高圧塔（１０）からの又は高圧塔（１０）から得られる液体流（１１２）を還流として補助分離塔（４０）へ供給すること、
を含む空気の低温分離方法。
【請求項２】
補助分離塔（４０）の蒸気流量を、低圧塔（３０）の上方部分（ＩＩ、ＩＩＩ）の直径が当該多塔式蒸留装置のいずれの他の部分についてのそれよりも大きくならないように決定する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
補助分離塔（４０）の蒸気流量が低圧塔の上方部分（ＩＩ、ＩＩＩ）の蒸気流量の２５％未満である、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
補助分離塔（４０）の運転圧力が低圧塔（３０）の運転圧力と同じである、請求項１から３までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項５】
低圧塔（３０）の塔頂部から取り出した気体窒素（１３０）を補助分離塔（４０）から取り出した窒素に富む補助分離塔塔頂蒸気（１５２）と一緒にして、一緒になった窒素製品流を作る、請求項４記載の方法。
【請求項６】
高圧塔（１０）の塔頂部から高圧の窒素富化塔頂蒸気を取り出すこと、
そのうちの少なくとも一部分を低圧塔（３０）の塔底部に位置するリボイラー／コンデンサー（２０）で凝縮させること、及び
凝縮した窒素のうちの少なくとも一部分を補助分離塔（４０）へ還流として供給すること、
を更に含む、請求項１から５までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項７】
補助分離塔（４０）に高圧塔（１０）の中間の箇所から取りだした流体を還流として供給する、請求項１から６までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項８】
請求項１記載の方法により空気を低温分離するための装置であって、
冷却した原料空気（１００）を高圧の窒素富化塔頂蒸気と粗液体酸素とに分離するための高圧塔（１０）、
窒素と酸素とを含む少なくとも一つの低圧塔原料流（１０４、１０６、１２０）を低圧の窒素に富む塔頂蒸気と液体酸素とに分離するための低圧塔（３０）、
高圧塔（１０）からの又は高圧塔（１０）から得られる液体流を還流として低圧塔（３０）へ供給するための管路手段（１１０）、
５０モル％以下の酸素を含む酸素含有ガス（１０６、１２０、１５０）を分離して窒素に富む補助分離塔塔頂蒸気と酸素に富む液とにするための補助分離塔であって、リボイラーを持たない補助分離塔（４０）、
低圧塔の中間の箇所から補助分離塔へ酸素含有ガスを供給するための導管手段、
補助分離塔（４０）からの酸素に富む液を低圧塔（３０）の中間の箇所へ供給するための管路手段（１５４）、及び
高圧塔（１０）からの又は高圧塔（１０）から得られる液体流を還流として補助分離塔（４０）へ供給するための管路手段（１１２）、
を含む空気の低温分離装置。
【請求項９】
低圧塔（３０）の上方部分（ＩＩ、ＩＩＩ）の直径が当該多塔式蒸留装置のいずれのほかの部分についてのそれよりも大きくない、請求項８記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２以上の低温（ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ）蒸留塔を含む空気分離装置（ＡＳＵ）を使用する低温空気蒸留の分野に関する。本発明には、高圧（ＨＰ）塔と低圧（ＬＰ）塔を含む熱的に結合された二塔式蒸留装置を有する空気分離装置に対して特に適用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
空気分離装置の蒸留塔は、複数の塔部分（区画）を有する。いろいろな塔部分の流体力学的負荷はかなり変動するものであり、殊に塔における物質移動エレメントとしてストラクチャードパッキング（あるいはストラクチャード充填物）（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  ｐａｃｋｉｎｇ）を使用する場合には、それらの塔部分について２又は３以上の異なる直径を使用するのが普通である。
【０００３】
二塔式装置の低圧塔の上方の部分は、一般に塔装置の蒸気の体積流量が最大になるのがこの箇所であるから、通常、塔装置で使用される最大の直径を決定する。二塔式装置の定められた最大の塔径に対して、通常、低圧塔の上方の部分が塔装置の能力評価のボトルネックとなる。高圧塔と、そして低圧塔の下方の部分は、それらの直径が定まった最大直径の値に向かって増大するならば、より大きなプラント能力を可能にする。二塔式装置の最大部分の直径を増大させずに二塔式装置の容量を増加させることができるとすれば、塔装置と関連する配管の平面的専有面積は大きく変化することはない。
【０００４】
低圧塔の上方部分での流量ボトルネックを軽減する利点は、二塔式装置の能力を増加させることができるということである（特定の定められた最大塔径の制約下で）。その上、出荷しようとする非常に大きな塔の能力は、最大の塔部分の直径で決まることがよくある。上記の流量ボトルネックを軽減できるならば、単一トレインの二塔式塔の最大能力を増大させることができよう。
【０００５】
米国特許第５１００４４８号明細書（１９９２年３月３１日発行）には、ストラクチャードパッキングを使用する塔装置が開示されており、そこでは塔の高流体力学的負荷の部分で低密度（高容量）のストラクチャードパッキングが使用され、低流体力学的負荷の部分で高密度（低容量）の充填物が使用される。これは上述の目標を達成するであろうけれども、低密度のパッキング（充填物）は物質移動の性能が高密度パッキングよりもかなり低い。
【０００６】
米国特許第６１２８９２１号明細書（２０００年１０月１０日発行）には、プラントの容量を増加させるため、製品の一部分をおのおのが提供する複数の低圧塔を配置することが開示されている。それは、二塔式装置に対する初期能力ボトルネックの原因となるのは低圧塔の上方部分だけであるという問題に取り組んではいない。
【０００７】
米国特許第６２２７００５号明細書（２００１年５月８日発行）、国際公開第８４／０４９５７号パンフレット（１９８４年１２月２０日公開）、及び“Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｃｏｌｕｍｎ  ｉｎ  Ａｉｒ  Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ”と題されたＲｉｃｈａｒｄ  Ｍａｓｏｎ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓによる研究開示（Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｄｉｓｃｌｏｓｕｒｅ）の論文（Ｎｏ．４２５，１９９９年９月，ｐｐ１１８５−１１８６，ＸＰ−０００８８９１７２）のいずれにも、少なくとも３つの蒸留塔を有し、各塔が異なる圧力で運転し、各中間圧力塔が少なくとも１つのリボイラー／コンデンサーを有する蒸留塔装置を使用して酸素と窒素を製造するための方法が開示されている。
【０００８】
米国特許第６２２７００５号明細書と国際公開第８４／０４９５７号パンフレットの両方における中間圧力塔の目的は、液体酸素を含む原料流を更に富化した塔底液と酸素の少なくなった塔頂ガスとに予備分離することである。
【０００９】
【特許文献１】
米国特許第５１００４４８号明細書
【特許文献２】
米国特許第６１２８９２１号明細書
【特許文献３】
米国特許第６２２７００５号明細書
【特許文献４】
国際公開第８４／０４９５７号パンフレット
【非特許文献１】
“Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｃｏｌｕｍｎ  ｉｎ  Ａｉｒ  Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ”，Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｄｉｓｃｌｏｓｕｒｅ  ｂｙ  Ｒｉｃｈａｒｄ  Ｍａｓｏｎ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｎｏ．４２５，１９９９年９月，ｐｐ１１８５−１１８６，ＸＰ−０００８８９１７２
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、定められた最大の塔部分の直径の制約内で能力の増大した多塔式の蒸留装置を含む空気分離装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、普通なら低圧塔の上方部分を通り抜ける蒸気の流れのうちの少量部分を、高圧塔からの又は高圧塔から得られる液体流の還流を受ける補助分離塔を通して送ることによって、これを達成できることを見いだした。通常、この補助塔における蒸気の流量は、低圧塔上方部分における蒸気流量の約２５％未満であり、好ましくは約２０％未満、最も好ましくは約１５％未満である。補助塔からの塔底液は、低圧塔へ塔底部より上方の中間の箇所で戻される。
【００１２】
少なくとも高圧塔と低圧塔とを含む多塔式の蒸留装置を使用して空気を低温分離する。この方法は、冷却した原料空気を高圧塔へ供給して高圧の窒素富化塔頂蒸気と粗液体酸素（ＣＬＯＸ）とに分離し、そして窒素と酸素とを含む少なくとも１つの低圧塔原料流を低圧塔へ供給して低圧の窒素に富む塔頂蒸気と液体酸素（ＬＯＸ）とに分離し、この低圧塔に高圧塔からの又は高圧塔から得られる液体流を還流として供給することを含む。約５０モル％以下の酸素を含む酸素含有ガスを補助分離塔へ供給し、窒素に富む補助塔塔頂蒸気と酸素に富む液とに分離する。補助塔からの酸素に富む液は低圧塔の中間の箇所へ供給し、そして補助塔には高圧塔からの又は高圧塔から得られる液体流を還流として供給する。
【００１３】
好ましい態様では、補助塔の目的は、別の状況では低圧塔の上方部分を通過しなくてはならなかったガス流をそれに供給することにより、低圧塔の上方部分への負荷をなくすことである。
【００１４】
上記の装置は、冷却した原料空気を高圧の窒素富化した塔頂蒸気及び粗液体酸素に分離するための高圧塔、窒素と酸素とを含む少なくとも１つの低圧塔原料流を低圧の窒素に富む塔頂蒸気と液体酸素とに分離するための低圧塔、高圧塔からの又は高圧塔から得られる液体流を還流として低圧塔へ供給するための管路手段、酸素を約５０モル％以下含む酸素含有ガスを窒素に富む補助塔塔頂蒸気と酸素に富む液とに分離するための補助分離塔、この補助塔からの酸素に富む液を低圧塔の中間箇所へ供給するための管路手段、そして高圧塔からの又は高圧塔から得られる液体流を還流として補助塔へ供給するための管路手段を含む。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の側面によれば、少なくとも高圧（ＨＰ）塔と低圧（ＬＰ）塔とを含む多塔式蒸留装置を使用する空気の低温分離のための方法であって、
冷却した原料空気を高圧塔へ供給して高圧の窒素富化塔頂蒸気と粗液体酸素とに分離すること、
窒素と酸素とを含む少なくとも１つの低圧塔原料流を低圧塔へ供給して低圧の窒素に富む塔頂蒸気と液体酸素とに分離すること、
低圧塔に高圧塔からの又は高圧塔から得られる液体流の還流を供給すること、約５０モル％以下の酸素を含む酸素含有ガスを補助分離塔へ供給して窒素に富む補助塔塔頂蒸気と酸素に富む液とに分離すること、
補助塔からの酸素に富む液を低圧塔の中間の箇所へ供給すること、及び
補助塔に高圧塔からの又は高圧塔から得られる液の還流を供給すること、
を含む空気の低温分離方法が提供される。
【００１６】
好ましい態様では、塔頂蒸気でもって酸素分子が損失するのを防ぐため、酸素含有ガスを窒素富化した液で、効果的に「洗浄」する。
【００１７】
好ましくは、補助分離塔における蒸気の流量は、低圧塔の上方部分の直径が多塔式蒸留塔装置の他のいずれの部分についてのそれより大きくならないように決定される。通常、補助塔における蒸気流量は低圧塔上方部分における蒸気流量の約２５％未満、好ましくは約２０％未満、最も好ましくは約１５％未満である。
【００１８】
酸素含有ガスは約５０〜約１０モル％の酸素を含むことができる。
【００１９】
一つの好ましい態様において、酸素含有ガスは低圧塔の中間の箇所から取り出されたガスを含む。好ましくは、このガスは、低圧塔における蒸気の体積流量が一番大きい低圧塔の上方部分より下方の箇所から取り出される。
【００２０】
もう一つの好ましい態様では、酸素含有ガスは、高圧塔で作られる粗液体酸素のうちの少なくとも一部分の圧力を下げることから作られるフラッシュ蒸気を含む。粗液体酸素を過冷却しない場合に生成する粗液体酸素フラッシュ蒸気の量は、粗液体酸素流量の１５モル％ほどとなることができる。フラッシュ蒸気は、補助分離塔へ供給する前に塔装置の外部で減圧後に残っている粗液体酸素から分離することができる。とは言え、粗液体酸素流を補助分離塔へ、理想的にはこの塔の底部へ供給するのが好適であり、その場合それは塔の液溜まりで分離される。
【００２１】
なおもう一つの好ましい態様では、酸素含有ガスは、蒸留装置への原料空気のうちの一部分を構成する。そのような態様では、酸素含有ガスは好ましくは、空気膨張タービンからの吐出流の少なくとも一部分を構成する。このタービン吐出流のうちの一部は低圧塔へ供給してもよい。
【００２２】
これらの供給源の２以上からの酸素含有ガスを同時に補助塔へ供給してもよい。例えば、低圧塔の中間の箇所から取り出される及び／又は空気膨張タービンから吐出される酸素含有ガスにより不足分を補った粗液体酸素フラッシュ蒸気を補助塔へ供給してもよい。
【００２３】
通常、補助分離塔の運転圧力は、低圧塔の運転圧力と同じである。このような圧力関係は、低圧塔の塔頂部から抜き出される気体窒素（ＧＡＮ）を、補助塔から抜き出される窒素に富む補助塔塔頂蒸気と、圧力調整なしに一緒にして、合流した窒素製品流を作るのを可能にする。しかし、補助分離塔の運転圧力は低圧塔の運転圧力と異なってもよい。従って、低圧塔と補助分離塔との間を移動するいずれの流れについても圧力調整は必要であろう。
【００２４】
好ましくは、この方法は、高圧塔の塔頂部から窒素を富化した塔頂蒸気を取り出し、その少なくとも一部を低圧塔の塔底部に位置するリボイラー／コンデンサーで凝縮させ、そしてこの凝縮した窒素のうちの少なくとも一部を還流として高圧塔へ供給することを更に含む。このリボイラー／コンデンサーで作られた凝縮窒素を、又は高圧塔の中間の箇所から取り出された流体を、還流として低圧塔と補助塔へ供給してもよい。低圧塔のための還流源は、補助塔のためのものと必ずしも同じではない。補助塔の還流は通常、リボイラー／コンデンサーで作られる凝縮した窒素により供給される。
【００２５】
随意に、液体空気を所定のプロセスサイクルのため高圧塔へ供給することもできる。このほか、高圧の窒素富化塔頂蒸気の一部を高圧気体窒素製品として取り出してもよい。更に、リボイラー／コンデンサーで凝縮した窒素の一部を液体窒素（ＬＩＮ）製品として取り出すこともできる。
【００２６】
粗液体酸素は、熱移動又は蒸留に付してから低圧塔へ供給してもよい。一部のプロセスは、低圧塔への液体空気原料及び／又は空気エキスパンダー排気原料を必要とすることがある。
【００２７】
塔への液体原料流は過冷却してもよい。
【００２８】
本発明の第二の側面によると、第一の側面による方法による空気の低温分離のための装置であり、
冷却した原料空気を分離して高圧の窒素富化塔頂蒸気と粗液体酸素とにするための高圧塔、
窒素と酸素とを含む少なくとも１つの低圧塔原料流を分離して低圧の窒素に富む塔頂蒸気と液体酸素にするための低圧塔、
高圧塔からの又は高圧塔から得られる液体流を低圧塔へ還流として供給するための管路手段、
を含む装置であって、
約５０モル％以下の酸素を含む酸素含有ガスを分離して窒素に富む補助塔塔頂蒸気と酸素に富む液とにするための補助分離塔、
補助塔からの酸素に富む液を低圧塔の中間の箇所へ供給するための管路手段、及び
高圧塔からの又は高圧塔から得られる液体流を還流として補助塔へ供給するための管路手段、
を更に含むことを特徴とする、空気の低温分離装置が提供される。
【００２９】
低圧塔はいくつかの蒸留部分（区画）を有する。好ましくは、低圧塔の上方部分の直径は多塔式蒸留塔装置のいずれの他の部分についてのそれより大きくはない。通常は、補助分離塔の寸法は、補助塔が低圧塔の上方部分における蒸気流量の約２５％未満、好ましくは約２０％未満、最も好ましくは約１５％未満の蒸気流量を受け入れることができるようなものである。
【００３０】
本発明の第二の側面の一つの好ましい態様では、装置は更に、低圧塔の中間の箇所からの酸素含有ガスを補助分離塔へ供給するための管路手段を含む。その中間の箇所は、低圧塔における蒸気の体積流量が一番大きい低圧塔の上方部分より下にあるべきである。
【００３１】
もう一つの好ましい態様では、装置は更に、高圧塔から取り出した粗液体酸素からフラッシュ蒸気を作るための減圧手段と、このフラッシュ蒸気を補助分離塔へ供給するための管路手段を含む。
【００３２】
なおもう一つの好ましい態様では、装置は更に、蒸留装置への原料空気のうちの一部分を補助塔へ供給するための管路手段を含む。このような態様では、装置は好ましくは、空気膨張タービンと、このタービンからの排出流のうちの少なくとも一部を補助分離塔へ供給するための管路手段とを更に含む。
【００３３】
これらの源の２以上からの酸素含有ガスをいつでも補助塔へ供給することができるように、この装置はこれらの好ましい態様の特徴の任意の組み合わせを含むことができる。
【００３４】
一般に、装置は更に、
高圧窒素富化塔頂蒸気のうちの少なくとも一部を低圧塔の塔底の液体酸素との間接熱交換により凝縮するためのリボイラー／コンデンサー、
高圧塔の塔頂部からの高圧窒素富化蒸気をこのリボイラー／コンデンサーへ供給するための管路手段、及び
このリボイラー／コンデンサーからの凝縮した窒素のうちの少なくとも一部分を還流として高圧塔の塔頂部へ供給するための管路手段、
を含む。この装置は、還流としての凝縮窒素を低圧塔、補助分離塔、又はこれらの塔の両方へ供給するための管路手段を含むことができる。この装置は高圧塔の中間の箇所から取りだした流体を還流として低圧塔、補助分離塔、又はこれらの塔の両方へ供給するための管路手段を含んでもよい。この装置は通常、凝縮窒素を補助分離塔へ還流として供給するための管路手段を含む。
【００３５】
補助塔は、多塔式蒸留装置に関連して言えば空間的にどこに配置してもよい。便宜上、補助塔は、塔底の酸素に富む液を重力の作用で低圧塔へ供給することができるような高さにされるのが好ましいが、それは低圧塔と並べて配置することができ、あるいは低圧塔より下方に配置することもでき、そして酸素に富む塔底液はポンプで低圧塔へ送ることができる。大抵の多塔式低温蒸留装置では、補助塔は低圧塔の真上に位置しよう。
【００３６】
低圧塔の塔頂部の「トップハット（ｔｏｐｈａｔ）」部分の使用を伴う装置においては、トップハット部分と補助塔とを一体化して分割塔を形成することができる。そのような態様では、２つの塔の断面を分割するのにいずれの幾何学形状を使用してもよい。例えば、補助塔をトップハット部分と並べて配置する態様では、補助塔はトップハット部分を環状式に取り囲んでもよく、あるいはその逆にしてもよい。あるいはまた、これらの塔は、共通の円形の外殻を分割した領域もしくは部分（セグメント）であってもよく、あるいは一つの塔内の四角い塔であることさえできる。いずれの適当な形状配置の分割塔を使用してもよい。
【００３７】
補助塔の蒸気流量は、通常、低圧塔の上方部分の蒸気流量の２５％未満である。補助塔の追加は、二塔式の塔の最大断面の直径を決定するのは低圧塔の上方部分のみであるという状況に本質的に取り組むものである。本発明を利用することにより、最大の塔径を小さくすることができ、あるいは二塔式の装置の能力を増加させることができる。その上、物質移動特性が優れている標準的な高密度充填物を塔の全ての部分において使用することができる（これは米国特許第５１００４４８号明細書の教示とは対照的である）。
【００３８】
補助塔は、その直径が通常は低圧塔のそれより小さく、且つ物質移動のために多くの理論段を必要とするわけではないので、相対的に費用がかからない。その上、それは、従来技術のサイクルを本発明のやり方で改造するとして、いかなる追加のリボイラーあるいはコンデンサーも必要としない。
【００３９】
プラントの能力を増大させるのに多塔式の低圧塔を使用する（例えば米国特許第６１２８９２１号明細書におけるように）というよりも、蒸気流量が低圧塔の上方部分のそれの通常は２５％未満である補助塔を追加することによって、典型的な二塔式蒸留装置の能力を有意に増加させることができる。更に、補助塔は一般に１５未満、好ましくは約１０の理論分離段を有し、そしてこれは、低温エンクロージャーの大きさへの影響は最小限にしながら多塔式塔の能力を増大させるようにそれを配置するのを可能にする。
【００４０】
図１を参照して説明すると、冷却した圧縮空気１００を高圧塔１０へ供給する。随意に、プロセスサイクルによっては液体空気流１０２も高圧塔１０へ供給することができる。高圧塔１０では、分離を行って塔頂の窒素富化流を生じさせ、そのうちの一部は随意に製品高圧気体窒素として抜き出すことができ、そして残りをリボイラー２０で凝縮することができる。凝縮した窒素のうちの一部を高圧塔へ還流として戻し、そして残りを流れ１１０として抜き出して低圧塔３０のための還流（また随意に、液体窒素製品）を提供する。
【００４１】
粗液体酸素流１２０を高圧塔１０から抜き出し、低圧塔３０の中間の箇所へ送る（随意に、図示しない塔又は熱交換器での熱移動又は蒸留を受けさせてから）。一部の二塔式サイクルについては、低圧塔３０も液体空気原料流１０４及び／又はエキスパンダー吐出／排気原料流１０６を有することがある。随意に、塔へ原料供給する液体流は過冷却してもよいが、そのように過冷却するのは図には示していない。
【００４２】
低圧塔３０では、分離を行って塔頂廃棄窒素流１３０と塔底酸素製品流１４０を生じさせる。この低圧塔は、三つの部分（区画）Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩを持つものとして示しているが、エキスパンダー流１０６が粗液体酸素流１２０とは異なる箇所で塔に入る場合、図１の装置には更に別の部分があることになる。同様に、プロセスサイクルに粗液体酸素供給原料を予熱するのに及び／又はアルゴンを生産するのに用いられる追加の塔又は熱交換器が含まれる場合には、低圧塔の下方の帯域に追加の部分（区画）があってもよい。
【００４３】
図１では、低圧塔３０の上方の二つの部分ＩＩ、ＩＩＩの蒸気の体積流量が一般に最大である、ということに注目すべきである。一般に、塔の流体力学的負荷はそれらの部分が、とりわけ物質移動エレメントとしてストラクチャードパッキングを使用する場合に、低圧塔３０の下方の帯域の部分よりも有意に大きい直径であることを必要とする。
【００４４】
残りの図面において、図１に示したものに相当する装置の部分を参照するのには同じ参照数字を使用する。
【００４５】
図２では、酸素濃度が約５０モル％Ｏ2未満であるが約１０モル％Ｏ2よりも高い蒸気流１５０を低圧塔３０の一番高負荷の部分ＩＩ、ＩＩＩよりも下方から抜き出し、補助分離塔４０の塔底部へ送って、そこでそれを酸素に富む液と窒素に富む補助塔塔頂蒸気とに分離する。流れ１５０の流量は、一般に、低圧塔３０の上方部分ＩＩ、ＩＩＩの直径が二塔式塔のいずれの他の部分の直径よりも大きくなることはもはやないように決定される。
【００４６】
補助塔４０は少なくとも、高圧塔１０を発生源とする還流の流れ１１２を備える。補助塔４０からの酸素に富む液は、低圧塔３０の中間の箇所へ流れ１５４として送り戻される。補助塔４０からの塔頂蒸気流１５２は、低圧塔３０からの廃棄窒素ガス流１３０と一緒にされる。
【００４７】
図２において、補助塔４０は低圧塔の上方に位置して示されているが、補助塔４０はその他の場所に位置することができる。好ましくは、補助塔４０は、酸素に富む液を重力の作用で低圧塔４０へ送ることができるような高さにされる。
【００４８】
図３は、従来技術の二塔式の装置を示している。この図の装置は、流れ１６０として抜き出される低圧気体窒素ガス製品の製造用に低圧塔３０に追加の「トップハット」部分ＩＶがある点で、図１のそれと異なる。低圧塔３０のトップハット部分ＩＶは、部分ＩＩＩからの塔頂蒸気のうちの一部が流れ１３０で廃棄窒素として抜き出されるのでその直径が部分ＩＩＩより小さいという点で、典型的なものである。図１におけるように、低圧塔の上方部分ＩＩ、ＩＩＩは一番高負荷の部分であり、それゆえに、それらは二塔式の塔部分の残りのものより直径が大きいという点で典型的なものである。
【００４９】
図４は、図３に示した装置を補助塔４０を含むように改造した一つの考えられる配置構成を示している。図２におけるように、補助塔４０は、低圧塔３０内を上昇してくる蒸気の一部を処理して部分ＩＩ、ＩＩＩの負荷をなくす。補助塔４０は、分割塔として低圧塔トップハット部分ＩＶに並行して示されているが、補助塔４０は環状の配置構成でもってトップハット部分ＩＶを取り囲むことができ、その逆でもよいことを理解すべきである。更に、補助塔４０は、その代わりに、低圧塔３０より上又はそれと並べて配置してもよい。
【００５０】
図２と４において、補助塔４０により処理される蒸気は低圧塔３０の中間の箇所から得られる。とは言え、そうでなければ低圧塔を上方へ進んで廃棄窒素の取り出し箇所に至る低圧蒸気の、いずれの供給源も使用することができる。
【００５１】
図５では、補助塔４０により処理される低圧蒸気の供給源は、粗液体酸素を減圧してフラッシュ蒸気を含む粗液体酸素の流れ１２０を生成するときに生成されるフラッシュ蒸気である。粗液体酸素を過冷却しない場合に生成される粗液体酸素フラッシュ蒸気の量は粗液体酸素流量の１５モル％ほどになることができる。このフラッシュ蒸気は補助塔４０の外部で分離することができるが、分離していない粗液体酸素流１２０を図５に示したように塔４０の塔底部へ送りそして液溜まりを分離器として使用するのが好適である。図５では、補助塔４０は低圧塔３０と異なる圧力で運転することができ、このときの窒素に富む塔頂蒸気の流れ１５２は、図示のように流れ１３０と混合されるよりも別の製品流として抜き出すことができる。
【００５２】
図６では、補助塔４０のための蒸気の供給源は空気膨張タービンからの吐出流１０６の全て又は一部である。図５におけるように、図６の装置の補助塔４０は、低圧塔３０とは異なる圧力で運転することができ、また流れ１５２は図示のように流れ１３０と混合されるよりも別の製品流として回収することができる。
【００５３】
【実施例】
図１に示したのと同様の空気分離プラントを純粋酸素製品を製造するように設計した。粗液体酸素流１２０は過冷却しなかった。この二塔式の塔を、全部の部分で標準的密度のストラクチャードパッキングを使って設計した。低圧塔の部分ＩＩＩの必要断面積は、各部分におけるフラッディングを同一にするのに部分Ｉのそれより約２０％大きくしなければならないことが分かった。
【００５４】
同じ空気分離プラントを図５に従って設計する場合には、粗液体酸素流１２０中のフラッシュガスが補助蒸留塔４０を上方に進む。この補助塔４０から出てゆく廃棄ガス１５２の流量は全廃棄ガス流量の約１０％であり、従って低圧塔３０の部分ＩＩＩは全廃棄ガス流量の約９０％を通過させる必要があるに過ぎない。補助塔４０と低圧塔３０からそれぞれ流れ１５２及び１３０として出てゆく廃棄ガスの純度は、おおよそ同じである。全廃棄窒素ガスの１０％が補助塔４０からの流れ１５２として製造されるとは言え、全還流の１０％よりもわずかに多く（実際のところは１０．６％）は補助塔４０へ送られ、すなわち補助塔は一般に低圧塔の部分ＩＩＩにおけるよりもわずかに高い液対蒸気比で運転する。
【００５５】
部分Ｉの断面積に変更はない。しかし、部分ＩＩＩについては、フラッディングに対して同じアプローチを取る場合、図１に従って設計したプラントについてよりも約１０％小さくなる。補助塔の断面積は、部分ＩＩＩについてのそれのわずか約１１％に過ぎず、且つ約１０の理論段を必要とするに過ぎない。二つの設計についての最小エネルギー消費量の違いは、図５の設計では動力消費量が図１の設計を使用する場合のそれより０．１％以上大きくならないものであることが分かった。
【００５６】
この明細書を通して、ある機能を実施するための手段という文脈での「手段」なる用語は、その機能を実施するために適合した及び／又は製作された少なくとも一つの装置・機構類を指すものである。
【００５７】
本発明は好ましい態様を参照して先に説明した細目に限定されず、特許請求の範囲により明確にされる本発明の精神と範囲から逸脱することなしに多数の改変や変更を行うことができる、ということが認められよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】典型的な二塔式低温空気蒸留装置を説明する図である。
【図２】補助塔のための酸素含有ガスを低圧塔の中間箇所から取る図１の典型的装置を基にした本発明の態様を説明する図である。
【図３】低圧塔に「トップハット」部分のある典型的な二塔式低温空気蒸留装置を説明する図である。
【図４】図２に示した本発明の態様を図３に示したタイプの塔装置用にどのように改造することができるかという一例を説明する図である。
【図５】補助塔のための酸素含有ガスを高圧塔の塔底から取り出される粗液体酸素から作られるフラッシュ蒸気により供給する本発明の態様を説明する図である。
【図６】補助塔のための酸素含有ガスを空気の膨張タービンにより供給する本発明の態様を説明する図である。
【符号の説明】
１０…高圧塔
２０…リボイラー／コンデンサー
３０…低圧塔
４０…補助分離塔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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