(57)【要約】【課題】  製品の収率及び純度を高め、維持設備コストが低く経済的に有利に運用することが可能な空気低温分離によるアルゴンの製造方法及び装置を提供する。【解決手段】  装入空気(1)を圧縮して窒素・酸素分離用蒸留塔設備(13,14)に導入する。この蒸留塔設備からアルゴン含有流(72)を取り出して粗アルゴン塔(25)に送り込む。粗アルゴン塔(25)は塔頂凝縮器(24)を有し、その中で粗アルゴン塔(25)の塔頂ガスが少なくとも部分的に凝縮される。凝縮液は還流液として粗アルゴン塔(25)に送り込まれ、粗アルゴン塔(25)又は塔頂凝縮器(24)から取り出される粗アルゴン流(76,176,276a,276b)が純アルゴン塔(20)に導かれ、純アルゴン塔(20)から純アルゴン製品流(81)が取り出される。粗アルゴン塔(25)の塔頂凝縮器(24)は還流凝縮器として構成され、粗アルゴン塔の塔頂ガスは該還流凝縮器の還流流路で凝縮されて唯一の還流液となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
装入空気(１)を圧縮(３)して窒素・酸素分離用蒸留塔設備(１３，１４)に送り込み、
該窒素・酸素分離用蒸留塔設備からアルゴン含有流(７２)を取り出し、
該アルゴン含有流(７２)を、液化流路と蒸発流路とを有するプレート式熱交換器ブロックからなる塔頂凝縮器(２４)を備えた粗アルゴン塔(２５)に送り込み、
粗アルゴン塔(２５)の塔頂ガスを前記塔頂凝縮器の液化流路に送り込んで少なくとも部分的に凝縮し、
この凝縮で得られる凝縮液の少なくとも一部を唯一の還流液として粗アルゴン塔(２５)に送り込み、
前記塔頂凝縮器の蒸発流路の一端から液相の冷却流体を導入して該蒸発流路内で部分的に気化させ、
この部分的な気化による気液混合状態の冷却流体を前記蒸発流路の他端から取り出し、
粗アルゴン塔(２５)又は塔頂凝縮器(２４)から粗アルゴン流(７６，１７６，２７６ａ，２７６ｂ)を取り出し、
取り出された粗アルゴン流(７６，１７６，２７６ａ，２７６ｂ)を純アルゴン塔(２０)に送り込み、
この純アルゴン塔(２０)から純アルゴン製品流(８１)を取り出すことによってアルゴンを製造する方法において、
粗アルゴン塔(２５)の塔頂凝縮器(２４)を還流凝縮器として構成しておき、粗アルゴン塔の塔頂ガスを該還流凝縮器の還流流路に送り込むことを特徴とする空気低温分離によるアルゴンの製造方法。
【請求項２】
液相の冷却流体を前記蒸発流路の下端へ向けて送り込み、該蒸発流路内における部分的な気化による気液混合状態の冷却流体を該蒸発流路の下端から取り出すことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記塔頂凝縮器を完全に単一のプレート式熱交換器ブロックで構成しておくことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
粗アルゴン流(７６，２７６ａ)を前記還流流路の上部領域から取り出すことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
粗アルゴン塔(２５)の上部領域及び前記還流流路から残ガス流を全く取り出さないことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
粗アルゴン流(２７６ｂ)を前記粗アルゴン塔又は塔頂凝縮器(２４)から気相状態で取り出し、純アルゴン塔(２０)への導入部(２８２)よりも上流に配置した補助凝縮器(２２７)によって少なくとも部分的に凝縮することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
塔頂凝縮器(２４)及び補助凝縮器(２２７)を凝縮器・蒸発器複合ユニットとして構成しておき、かつ両者の蒸発流路に同一の冷却流体(２３)を供給することを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
塔頂凝縮器(２４)及び補助凝縮器(２２７)をいずれも液浴蒸発器として構成しておき、且つ両者を同一の液浴内に配置することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
粗アルゴン流(１７６、２８２)を液相状態で純アルゴン塔(２０)に送り込むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
純アルゴン塔(２０)の塔頂又はその還流流路の上部領域から残ガス流(７８，１７８，２７８)を取り出して圧縮(３)前の装入空気に混合することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記還流凝縮器をプレート式熱交換器として構成された少なくとも１基の熱交換器ブロックで構成しておくことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか1項に記載の方法。
【請求項１２】
空気低温分離によるアルゴンの製造装置であって、
装入空気(１)を圧縮するための空気圧縮機(３)と、
圧縮後の装入空気(８，１０，１２)を窒素・酸素分離用蒸留塔設備(１３、１４)に送り込むための手段と、
前記窒素・酸素分離用蒸留塔設備からアルゴン含有流(７２)を取り出すための手段と、
取り出されたアルゴン含有流(７２)を、液化流路及び蒸発流路を有するプレート熱交換器ブロックで構成された塔頂凝縮器(２４)を備えた粗アルゴン塔(２５)に送り込むための手段と、
粗アルゴン塔(２５)の塔頂ガスを前記塔頂凝縮器の液化流路に送り込むための手段と、
前記塔頂凝縮器(２４)で得られる凝縮液の少なくとも一部を、粗アルゴン塔(２５)の唯一の還流液として該粗アルゴン塔へ送り込むための手段と、
前記塔頂凝縮器の蒸発流路にその一端から液相の冷却流体を送り込むための手段と、
該蒸発流路内における部分的な気化によって生じる気液混合状態の冷却流体を前記塔頂凝縮器の蒸発流路の他端から取り出すための手段と、
粗アルゴン塔(２５)又は塔頂凝縮器(２４)から粗アルゴン流(７６，１７６，２７６ａ，２７６ｂ)を取り出すための手段と、
取り出された粗アルゴン流(７６，１７６，２７６ａ，２７６ｂ)を純アルゴン塔(２０)に送り込むための手段と、
該純アルゴン塔(２０)から純アルゴン製品流(８１)を取り出すための手段、
とを備えたアルゴンの製造装置において、
粗アルゴン塔(２５)の塔頂凝縮器(２４)が還流凝縮器として構成されていると共に粗アルゴン塔の塔頂ガスを該還流凝縮器の還流流路に送り込むための手段を有することを特徴とする空気低温分離によるアルゴンの製造装置。
【請求項１３】
液相の冷却流体を前記塔頂凝縮器の蒸発流路の下端へ向けて送り込む手段と、該蒸発流路内における部分的な気化によって生じる気液混合状態の冷却流体を該蒸発流路の下端から取り出す手段とが前記塔頂凝縮器に付設されていることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記塔頂凝縮器が完全に単一のプレート式熱交換器ブロックからなることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記還流凝縮器がプレート式熱交換器として構成された少なくとも１基の熱交換器ブロックを備えていることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は空気低温分離によるアルゴンの製造技術に関するものであり、更に詳しくは、装入空気を圧縮して窒素・酸素分離用蒸留塔設備に送り込み、該窒素・酸素分離用蒸留塔設備からアルゴン含有流を取り出し、このアルゴン含有流を液化流路と蒸発流路とを有するプレート式熱交換器ブロックからなる塔頂凝縮器を備えた粗アルゴン塔に送り込み、粗アルゴン塔から取り出される塔頂ガスを前記塔頂凝縮器の液化流路に送り込んで少なくとも部分的に凝縮し、この凝縮で得られる凝縮液の少なくとも一部を唯一の還流液として粗アルゴン塔に送り込み、前記塔頂凝縮器の蒸発流路の一端から液相の冷却流体を導入して該蒸発流路内で部分的に気化させ、この部分的な気化による気液混合状態の冷却流体を前記蒸発流路の他端から取り出し、粗アルゴン塔又は塔頂凝縮器から粗アルゴン流を取り出し、取り出された粗アルゴン流を純アルゴン塔に送り込み、この純アルゴン塔から純アルゴン製品流を取り出すことによってアルゴンを製造する形式の空気低温分離によるアルゴンの製造方法及び該方法を実施するための装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
空気低温分離のための方法及び装置は、例えば非特許文献１によって知られている。窒素・酸素分離用蒸留塔設備は、窒素・酸素分離用の単一の塔からなる設備として、又は２基の塔からなる設備（例えば古典的なリンデ式二重塔式設備）として、或いは３基以上の多塔式設備として構成することができる。窒素・酸素分離用蒸留塔及びアルゴン製造用の複数基の精留塔に加えて、大気中の他の成分、特に各種の希ガスを製造するための別のプロセス設備が付設されることもある。
【非特許文献１】ハウゼン／リンデ著「低温技術」第２版 (1985年)、第４章、281〜337頁（Hausen/Linde, "Tieftemperaturtechnik" 2. Auflage 1985, Kap. 4, Seiten 281-337）
【０００３】
特許請求の範囲に記載されている意味で、「粗アルゴン塔」はアルゴンと酸素の分離に使用される蒸留塔である。粗アルゴン塔は、単一部分からなる塔、又は特許文献１に述べられているような２部分或いはそれ以上の多部分からなる塔によって構成することができる。また「純アルゴン塔」は、アルゴンと窒素の分離に使用される蒸留塔である。「粗アルゴン流」とは、「アルゴン含有流」よりもアルゴン濃度の高いプロセスガス流である。「純アルゴン製品流」とは、粗アルゴン流よりも高濃度のアルゴン流であり、好ましくは純アルゴン塔の下部領域、例えば塔底から取り出される。
【特許文献１】欧州特許第６２８７７７号明細書（米国特許第５４２６９４６号明細書と対応）
【０００４】
粗アルゴン塔の塔頂凝縮器は、該粗アルゴン塔における還流液の唯一の発生源である。この塔頂凝縮器は、１基、２基又はそれ以上の複数基のプレート式熱交換器ブロックで構成することができ、複数基の場合は気化側及び液化側で互いに並列接続される。この凝縮器へ供給される冷却流体（冷媒）は、プレート式熱交換器ブロックの蒸発流路へその一端から流入し、該蒸発流路の他端から流出する。蒸発流路の内部では向流は起らない。正確に言えば、蒸発流路内では、液相状態に留まっている冷却流体と気化した気相状態の冷却流体とが並流状態で流れる。塔頂凝縮器が浴蒸発器として構成されている場合には、冷却流体は蒸発流路内を下から上へ向かって流れることになる。
【０００５】
冒頭に述べた形式のアルゴン製造技術は、特許文献１以外にも、例えば下記の特許文献２〜１２によって知られている。いずれも粗アルゴン塔の塔頂凝縮器としては従前からの凝縮器を使用しており、その場合、凝縮器の液化流路内には、凝縮されるべき気体と凝縮されて生じた液体が並流状態で流れる。
【特許文献２】独国特許出願公開第２３２５４２２号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第１７１７１１号明細書
【特許文献４】欧州特許第３７７１１７号明細書（米国特許第５０１９１４５号明細書と対応）
【特許文献５】独国特許出願公開第４０３０７４９号明細書
【特許文献６】欧州特許第６６９５０８号明細書（米国特許第５５９２８３３号明細書と対応）
【特許文献７】欧州特許第６６９５０９号明細書（米国特許第５５９０５４４号明細書と対応）
【特許文献８】欧州特許出願公開第９４２２４６号明細書
【特許文献９】欧州特許出願公開第１１０３７７２号明細書
【特許文献１０】独国特許出願公開第１９６０９４９０号明細書（米国特許第５６６９２３７号明細書と対応）
【特許文献１１】欧州特許出願公開第１２４３８８２号明細書（米国特許出願公開第２００２１７８７４７号明細書と対応）
【特許文献１２】欧州特許出願公開第１２４３８８１号明細書（米国特許出願公開第２００２１８９２８１号明細書と対応）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、冒頭に述べた形式の方法及びそれに適合した装置において、製品の収率及び製品純度を高くすることができ、維持コスト及び／又は設備コストが低く経済的に有利に運用することが可能な空気低温分離によるアルゴンの製造方法及び該方法を実施するための装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、本発明によれば、冒頭に述べた形式の空気低温分離によるアルゴンの製造方法において、粗アルゴン塔の塔頂凝縮器を還流凝縮器として構成し、粗アルゴン塔の塔頂ガスを該還流凝縮器の還流流路に送り込むことによって解決される。
【０００８】
ここで、「還流凝縮器」は分留器とも呼ばれ、これは凝縮側が粗アルゴン塔の還流流路を形成する熱交換器であると理解すべきである。この還流流路には、下方から流入する蒸気（ここでは粗アルゴン塔の塔頂ガス）の上昇流が当たる。この蒸気は還流流路を上昇する間に少なくとも部分的に凝縮する。従って、還流流路は、凝縮液が飛沫となって上昇流に随伴されることなく下方へ流れ落ちるように設計されている。還流流路内では、上昇する蒸気流と流下する凝縮液との向流接触により物質交換が行われる。還流凝縮器の下端から流下する凝縮液には難揮発成分が濃縮され、上方へ流出する蒸気には易揮発成分が濃縮される。
【０００９】
還流凝縮器としては、従来から種々の構造形態のものが知られている。還流凝縮器を構成する熱交換器ブロック（場合によっては複数基の熱交換器ブロック）は、例えば欧州特許出願公開第１１８９０００号明細書に開示されているように圧力容器の内部に配置されていても良く、或いは米国特許第６１２８９２０号明細書に開示されているように熱交換器ブロックの全側面がヘッダーで塞がれていてもよい。これに代えて、例えば独国特許出願第１０２００６０３７０５８号及びその対応出願で提案されているように還流凝縮器を蒸留塔（この場合は粗アルゴン塔）の塔頂部に装着し、還流流路の下端を蒸留塔の上部と連通させてもよい。還流凝縮器の熱交換器ブロックは、プレート式熱交換器、特に鑞付けによるアルミニウム製のプレート式熱交換器で構成されていることが好ましい。
【００１０】
ここで、「上方」「下方」或いは「側方」等の空間的概念は、常に規定通りに設置されて運転されている状態の還流凝縮器に関する方向を意味する。
【００１１】
還流凝縮器では冷媒との熱交換が可能であるだけでなく、還流流路内を上昇する気相流と、同じく還流流路内を流下する液相流との間で蒸留塔の波状起伏を持つ充填物に似た物質交換作用も可能になる。この物質交換による気体成分の分離効果はHETP値（単位理論段相当高さ）で表すことができ、一般的な還流凝縮器のHETP値は３００〜６００mmの範囲である。従って、例えば高さ１．５ｍの還流凝縮器は、最高値で約５理論段に相当する分離効果を有する。但し、粗アルゴン塔の塔頂部では、この効果はアルゴン・窒素分離には働かない。即ち、還流凝縮器を使用したからと言って粗アルゴン塔内における物質交換要素（実際の棚段、規則充填物、或いは不規則充填層）の使用が免除されることはない。
【００１２】
従って、従来、アルゴンの製造に際して還流凝縮器が塔頂凝縮器として使用されるのは窒素・酸素分離用蒸留塔設備に直結されている蒸留塔内で粗アルゴンではなく純アルゴンを製造する場合に限られていた（米国特許第５１３３７９０号明細書参照）。この場合には、単一のアルゴン塔内でアルゴン・酸素分離のみならずアルゴン・窒素分離も行われ、従ってアルゴン・窒素分離を目的とする別の純アルゴン塔は設備されることはない。米国特許第５１３３７９０号明細書に記載されているアルゴン塔の上部領域は、本発明における粗アルゴン塔で行われるようなアルゴン・酸素分離には利用されず、一般的に冒頭に述べた形式のプロセスでは専ら純アルゴン塔で実行されるべきアルゴン・窒素分離に利用されている。
【００１３】
このため、従来、アルゴン・窒素分離のための特別な純アルゴン塔を備えたプロセスにおいては、アルゴン・窒素分離の一部を粗アルゴン塔又はその塔頂凝縮器に委ねるべき根拠は認められておらず、その理由は、これらによって蒸留塔の理論段数を削減することはできないからである。
【００１４】
しかるに、本発明の基本理念の範疇において、そのような還流凝縮器を粗アルゴン塔の塔頂に組み込むことには更なる利点があることが明らかになった。この種の凝縮器は、通常は凝縮器・蒸発器複合ユニットとして構成されている。それ故、液化側（還流流路側）で凝縮される塔頂ガスは、気化側（蒸発流路側）で冷却液を少なくとも部分的に気化させる。還流凝縮器を構成する熱交換器ブロックは、通常は液浴内に配置されている。流体静力学的な圧力によって熱交換器ブロックの蒸発流路の温度は上部から下部に向かうに従って上昇する。
【００１５】
粗アルゴン塔の塔頂に配置した還流凝縮器の分離効果により、還流流路内を上向きに流れる蒸気流は次第に窒素リッチとなり、凝縮器の頂部では窒素分量が高くなるために温度が最も低くなる（図４参照）。それ故、還流流路の内部温度勾配は蒸発流路の温度勾配に順応する。このようにして、還流凝縮器には熱交換器ブロックの高さ全体を通じて殆ど一定に保たれる運転時温度勾配が自然に生じる傾向がある。これに対し、従来技術における粗アルゴン塔の塔頂凝縮器の場合には、凝縮器の下部領域における運転時温度勾配は上部領域よりも遙かに小さいのが常である。従って塔頂凝縮器の下部領域では熱交換器全体に対する伝熱面の寄与率が低くなる。それに対して本発明によるプロセスでは、熱交換器ブロックの高さ全体に亘って気化側と液化側との間の温度差は殆ど一定であり、従って交換損失を小さくすることができる。即ち、交換面積を相応に縮小でき、その結果として設備コストを低く抑えることが可能である。
【００１６】
同様の理由で本発明によれば製品純度と製品収率を高めることができる。また、分離効果を同一に維持するか或いは僅かに高めながら、粗アルゴン塔の理論段数を減じることもでき、それによってプラントの設備コストを低く抑えることが可能である。
【００１７】
本発明において、液相の冷却流体を蒸発流路へその下端に向かって送り込み、蒸発流路内における部分的な気化による気液混合状態の冷却流体を該蒸発流路の下端から取り出すことは特に好ましいことである。この場合、例えば塔頂凝縮器を浴蒸発器として構成し、蒸発流路を上下に開口させて、冷却流体の気相分がサーモサイホン効果で蒸発流路内を下方から上方へと導かれるようにするとよい。
【００１８】
本発明の好適な一実施形態によれば、塔頂凝縮器は完全に単一のプレート式熱交換器ブロックによって構成される。
【００１９】
本発明において、粗アルゴン流を還流流路の上部領域から取り出すことは特に有利である。還流流路を頂部まで貫流した後に気相状態のままの留分は特に高いアルゴン濃度を有し、逆に酸素含有量は特に低くなっている。現実には粗アルゴン流は比較的多量の窒素も含有しているが、窒素は大した費用も掛けずに純アルゴン塔で分離することができる。
【００２０】
本発明の別の好適な一実施形態では、粗アルゴン塔の上部領域及び還流流路からは残ガス流が全く取り出されない。還流流路を含む粗アルゴン塔上部領域からは、全般的に粗アルゴン流以外の他の流れを取り出さないことが好ましい。例えば、粗アルゴン塔の上部領域からは、粗アルゴン流以外には窒素・酸素分離のための蒸留塔設備（例えば２塔式設備の低圧塔、そこからアルゴン含有流も取り出される）にリサイクルされる流れが取り出されるだけである。
【００２１】
本発明において、粗アルゴン塔又は塔頂凝縮器からは粗アルゴン流を気相状態で取り出し、次いで純アルゴン塔への導入部よりも上流側で補助凝縮器により少なくとも部分的に（場合によっては完全に）凝縮すると特に有利である。これにより、粗アルゴン流を少なくとも部分的に（或いは完全に）液相状態で純アルゴン塔に送り込むことができる。
【００２２】
尚、この補助凝縮器と以下に述べる幾つかの付加的な措置は、塔頂凝縮器が還流凝縮器として形成されていないプロセスの場合にも応用することができる。
【００２３】
即ち、塔頂凝縮器と補助凝縮器は、凝縮器・蒸発器複合ユニットとして構成されていることが好ましく、この場合、これら両者（即ち凝縮器と蒸発器）の蒸発流路には同一の冷却流体、特に液相の冷却流体を供給することが好ましい。液相の冷却流体は蒸発流路内で少なくとも部分的に気化されるが、その際に気化した冷却流体の気相分の上昇流にサーモサイホン効果によって液相分の飛沫が随伴され、この飛沫は上方にて液相の冷却流体にリサイクルされる。冷却流体としては、例えば窒素・酸素分離用蒸留塔設備（例えば２塔式設備の高圧塔の塔底）から得られる酸素富化液を使用することができる。
【００２４】
塔頂凝縮器と補助凝縮器は、ともに蒸発流路側を液浴蒸発器として構成することが好ましく、この場合、両者が同一の液浴内に配置されていると特に有利である。これにより、補助凝縮器は高さ寸法が塔頂凝縮器よりも小さいのが普通であるにもかかわらず、補助凝縮器を塔頂凝縮器の下端部の温度よりも低い下端部温度で運転することが可能である。
【００２５】
本発明においては、粗アルゴン流を液相状態で純アルゴン塔の塔頂に送り込むことにより、この粗アルゴン流を純アルゴン塔の還流液として利用することができ、純アルゴン塔の塔頂凝縮器を不要にすることができる。尚、このこと自体は米国特許第５９７０７４３号明細書や米国特許第６５７４９８８号明細書によって知られている。しかるに、本発明においては還流凝縮器と組み合わせることによりアルゴン収率が更に高くなるという付加的な効果を得ることができる。
【００２６】
本発明の更に別の好適な実施形態によれば、純アルゴン塔の塔頂又は還流流路の上部領域から残ガス流が取り出され、この取り出された残ガス流が圧縮前の装入空気に混合される。尚、このような純アルゴン塔又は粗アルゴン塔の塔頂部からの残ガスのリサイクル自体は、粗アルゴン塔の塔頂に還流凝縮器が備えられていないアルゴン製造プロセスにも有利に応用することができる。残ガスを廃棄する場合とは異なり、リサイクルによって残ガス中に含まれるアルゴンがプロセスに戻されるので、その分だけアルゴンの収率が向上する。この場合、基本的には別のリサイクル圧縮機を使用して残ガス流を圧縮し、これを圧縮後の装入空気に混合することもできるが、空気圧縮機の上流側で圧縮前の装入空気に残ガスを供給する方がエネルギー消費量の面で有利であり、特に前述の米国特許第５１３３７９０号明細書に提案されているように残ガスを窒素・酸素分離用蒸留塔設備に直接リサイクルする方法よりも有利である。
【００２７】
本発明は更に上述の方法を実施するための空気低温分離によるアルゴンの製造装置も提供する。この装置は、装入空気を圧縮するための空気圧縮機と、圧縮後の装入空気を窒素・酸素分離用蒸留塔設備に送り込むための手段と、この窒素・酸素分離用蒸留塔設備からアルゴン含有流を取り出すための手段と、取り出されたアルゴン含有流を、液化流路及び蒸発流路を有するプレート熱交換器ブロックで構成された塔頂凝縮器を備えた粗アルゴン塔に送り込むための手段と、粗アルゴン塔の塔頂ガスを前記塔頂凝縮器の液化流路に送り込むための手段と、前記塔頂凝縮器で得られる凝縮液の少なくとも一部を粗アルゴン塔の唯一の還流液として該粗アルゴン塔へ送り込むための手段と、前記塔頂凝縮器の蒸発流路にその一端から液相の冷却流体を送り込むための手段と、該蒸発流路内における部分的な気化によって生じる気液混合状態の冷却流体を前記塔頂凝縮器の蒸発流路の他端から取り出すための手段と、粗アルゴン塔又は塔頂凝縮器から粗アルゴン流を取り出すための手段と、取り出された粗アルゴン流を純アルゴン塔に送り込むための手段と、純アルゴン塔から純アルゴン製品流を取り出すための手段とを備え、特に前述の課題を解決するために、粗アルゴン塔の塔頂凝縮器が還流凝縮器として構成されていると共に粗アルゴン塔の塔頂ガスを該還流凝縮器の還流流路に送り込むための手段を有することを特徴とする。
【００２８】
本発明の好適な一実施形態によれば、塔頂凝縮器には、液相の冷却流体を塔頂凝縮器の蒸発流路の下端へ向けて送り込む手段と、該蒸発流路内における部分的な気化によって生じる気液混合状態の冷却流体を該蒸発流路の下端から取り出す手段とが付設されている。
【００２９】
塔頂凝縮器は完全に単一のプレート式熱交換器ブロックからなることが好ましい。また還流凝縮器はプレート式熱交換器として構成された少なくとも１基の熱交換器ブロックを備えていることが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明の特徴並びに利点を明示するために本発明の好適な実施形態について添付図面と共に詳述すれば以下の通りである。尚、添付図面においては、各図で互いに対応する構成部分又はプロセス段階には同一の参照符号が付されている。
【００３１】
図１は本発明の第１実施形態に係る空気低温分離設備の系統図であり、この場合、原料として周囲環境の大気から取り込まれる装入空気１はフィルタ２を通して空気圧縮機３により吸入され、該圧縮機によって絶対圧力５．０〜７．０バール、好ましくは５．５バールに圧縮されてから、直接接触式クーラー４内で冷却水５及び６との直接熱交換で冷却される。一方の冷却水５は蒸発クーラー７から、他方の冷却水６は外部供給源から供給される。圧縮及び冷却後の空気８は、吸着材、好ましくはモレキュラーシーブを容器内に充填した２基の空気浄化装置９内で浄化される。浄化空気１０は、主熱交換器を構成する熱交換器ブロック１１ａ，１１ｂ，１１ｃでほぼ露点温度にまで冷却される。冷却後の寒冷空気１２は、高圧塔１３と低圧塔１４からなる窒素・酸素分離用蒸留塔設備の高圧塔１３に塔底近傍位置から導入される。高圧塔１３と低圧塔１４は、それらの間に設けられている主凝縮器１５を介して熱交換関係にあり、全体としては古典的なリンデ式の二重塔式精留設備を構成している。各塔の塔頂における運転時の圧力は、高圧塔では４．５〜６．５バール、好ましくは約５．０バールであり、低圧塔では１．２〜１．７バール、好ましくは約１．３バールである。
【００３２】
高圧塔１３の塔底からは液相の粗酸素流１６が取り出されて過冷用向流熱交換器１７内で過冷却され、過冷却された粗酸素流１８のうちの一部の粗酸素流１９は純アルゴン塔２０の塔底蒸発器２１で更に冷却され、他の一部の粗酸素流２２は必要に応じて該塔底蒸発器２１をバイパスできるようになっている。塔底蒸発器２１からの粗酸素流２３は粗アルゴン塔２５の塔頂に配置されている塔頂凝縮器２４の蒸発室に冷媒として供給され、また一部の分岐流２６が純アルゴン塔２０の塔頂凝縮器２７に供給されるようになっている。これらの塔頂凝縮器２４と２７で気化された粗酸素流２８，２９は、共に導管３０を通して低圧塔１４の第１中間位置に送り込まれる。同様に、粗アルゴン塔２５の塔頂凝縮器２４から液相状態のまま取り出される粗酸素流３１も低圧塔１４の第１中間位置に送り込まれる。純アルゴン塔２０の塔頂凝縮器２７から液相状態のまま取り出される粗酸素流３２は第１中間位置の上方にある第２中間位置で低圧塔１４内に送り込まれる。
【００３３】
高圧塔１３の塔頂からは気相状態の窒素流３３が取り出され、そのうちの一部の窒素流３４は主熱交換器１１ａの低温側入口端に送られ、主熱交換器１１ａ内でほぼ周囲環境温度まで加温される。加温された窒素流３５は加圧気体製品窒素流（ＧＡＮ１）３６と循環流３７とに分流される。循環流３７はアフタークーラー３９を装備した循環圧縮機３８で圧力２５〜６０バール、好ましくは約３５バールに圧縮され、次いで主熱交換器１１ａで冷却される。この冷却流路の途中で一部の高圧窒素流４０が中間温度で主熱交換器１１ａから抜き取られて膨張タービン４１でほぼ高圧塔１３の運転圧力まで膨張され、この膨張の間にタービン４１は例えば発電機Ｇに動力を与えるなど、所謂仕事を行う。タービン４１から排出される膨張後の窒素循環流４２は再び低温の窒素流３４に加えられ、混合される。窒素循環流４２中に液相分が存在する場合は分離器４３で液相窒素が予め分離され、分離された液相窒素は導管４４を通して低圧塔１４の塔頂に還流液として送り込まれる。主熱交換器１１ａで冷却された残部の高圧窒素流６１は主熱交換器１１ａの低温側出口端から高圧塔１３の塔頂部に送り込まれる。
【００３４】
高圧塔１３の塔頂部から取り出される気相状態の窒素流３３のうちの残部の窒素流４５は主凝縮器１５で少なくとも部分的に凝縮される。この凝縮で生じる液相窒素流４６は、一方で分岐流４７として高圧塔１３に還流され、他方で分岐流４８として向流熱交換器１７で過冷却される。この過冷却後の液相窒素流４９は低圧塔１４の塔頂部に送り込まれ、この塔頂部からは、液相窒素の一部を液体製品窒素流（ＬＩＮ）５０として取り出すことができる。
【００３５】
低圧塔１４の塔底直上部からは気相状態の酸素流５１が取り出され、主熱交換器１１ａで加温されてから導管５２を通して無加圧の気体製品酸素流（ＧＯＸ III）として取り出される。低圧塔１４の塔底から取り出される液体酸素流５３は向流熱交換器１７で過冷却され、導管５４を通して液体酸素タンク（ＬＯＸ）に送られる。このタンクに貯留された液体酸素の少なくとも一部は導管５５を通じて再び取り出され、ポンプ５６で所要の製品圧力、例えば６〜６０バール、好ましくは約３１バールに加圧され、主熱交換器１１ａで高圧窒素流との熱交換により気化（或いは超臨界圧の場合には疑似的気化）されて周囲環境温度にまで加温され、次いで導管５７を通して高圧気体製品酸素流（ＧＯＸ I）として取り出される。またポンプ５６で加圧された高圧液体酸素からは一部が分岐流５８として分流され、絞り弁５９を介して例えば６〜２５バール、好ましくは約１５バールの中圧まで圧力緩和されて気化され、主熱交換器１１ａで周囲環境温度まで加温されてから導管６０を通して中圧気体製品酸素流（ＧＯＸ II）として取り出される。
【００３６】
低圧塔１４の塔頂部から取り出される気相状態の窒素流６２と、低圧塔１４の上部中間位置から取り出される気相状態の低純度窒素流６５は、それぞれ向流熱交換器１７で過冷却される。過冷却後の各窒素流６３，６６は、それぞれ主熱交換器１１ｃ又は１１ｂで冷媒としての役目を果たして加温され、それぞれ導管６４又は６７を介して送られ、必要に応じてスチームヒーター６９で加熱された後、再生ガスとして空気浄化装置９に供給されたり、導管７０を通して蒸発冷却器７に冷媒として供給されたり、或いは導管７１を通して大気中に放出されたりする。
【００３７】
低圧塔１４からは、第１中間位置の下方に位置する第３中間位置からアルゴン含有流７２が取り出され、粗アルゴン塔２５内にその塔底から送り込まれる。尚、図示の例では、低圧塔１４は単一の塔部分からなる構造である。粗アルゴン塔の塔底に溜まる液体７３はポンプ７４及び導管７５を介して低圧塔１４の第３中間位置直下にリサイクルされる。
【００３８】
さて、粗アルゴン塔２５の塔頂凝縮器２４は、本発明の基本理念に従って還流凝縮器として構成されている。即ち、この塔頂凝縮器２４の凝縮側は、粗アルゴン塔２５内を上昇して塔頂に達した塔頂ガスを受け止めて凝縮液を発生させ、発生した凝縮液を再び粗アルゴン塔内へ流下させる還流流路を形成している。還流流路内に生じる凝縮液は、上昇してくる塔頂ガスと向流的に接触するように還流流路を重力によって下方に向かって流れ、粗アルゴン塔２５内で唯一の還流液として利用される。還流流路は、熱伝導率の良い金属、好ましくはアルミニウム製の壁を介して蒸発流路と接し、従って金属壁を介して接する還流流路と蒸発流路は熱交換器ユニットを形成する。蒸発流路側では、塔頂凝縮器２４は浴凝縮器として機能するように構成することができる。図示の実施形態では、塔頂凝縮器２４の蒸発流路に供給される冷却流体は液相状態の粗酸素流２３であり、この冷却流体は、導管から塔頂部の１つ以上の側孔を介して塔頂凝縮器２４の蒸発流路にその下端へ向かって下向きに流入し、蒸発流路中で少なくとも部分的に気化される。気化によって生じる気相分は上昇流となり、これにはサーモサイホン効果によって液相分の飛沫が随伴し、この飛沫は蒸発流路の上部で液相の冷却流体にリサイクルされる。即ち、塔頂凝縮器は蒸発側では浴蒸発器の形態である。
【００３９】
還流流路の上端からは、熱交換器ユニットの側面上部に設けられたヘッダーを介して粗アルゴン流が気相状態で取り出され、導管７６を介して純アルゴン塔２０の中間位置に送り込まれる。図示の実施形態において、純アルゴン塔２０の塔頂凝縮器は、液化（凝縮）側では従来形式で構成されている。即ち、純アルゴン塔２０から取り出される塔頂ガス７７は塔頂凝縮器の液化流路を通って上方から下方へと流れる。勿論、これに代えて、純アルゴン塔２０の塔頂凝縮器２７や、更には高圧塔１３の塔頂の主凝縮器１５を還流凝縮器として構成することもできる。塔頂凝縮器２７からは残ガス流７８が取り出され、この残ガス流は、図示の実施形態では大気中に放出されるようになっている。勿論、この残ガス流は、別に配置した送風機により窒素・酸素分離用蒸留塔設備の空気圧縮機３の上流側にリサイクルすることもできる。
【００４０】
純アルゴン塔２０の塔底に溜まる液体７９は２つの分流８０，８２に分岐され、一方の分流８０は塔底蒸発器２１で気化され、それによって生じる蒸気流８１は純アルゴン塔２０内を上昇するガスとして利用され、他方の分流８２は液相状態の純アルゴン製品流（ＬＡＮ）として取り出される。
【００４１】
図２は本発明の第２実施形態に係る空気低温分離設備の系統図であり、この実施形態は特に純アルゴン塔２０の塔頂部の構成が図１の第１実施形態とは異なっている。即ち、第２実施形態における純アルゴン塔２０は塔頂凝縮器を備えていない。この場合の粗アルゴン流１７６は、粗アルゴン塔２５の塔頂凝縮器２４の還流流路で生じた還流液の一部であり、粗アルゴン塔２５の塔頂直下部から取り出されて純アルゴン塔２０の塔頂内へ送り込まれている。純アルゴン塔２０の塔頂ガスは粗アルゴン塔２５の塔頂部へとリサイクルされる。従って残ガス流１７８は、粗アルゴン塔と純アルゴン塔の各塔頂ガスに由来し、これら塔頂ガスのうちの塔頂凝縮器２４によって凝縮されなかった部分に相当する。この残ガス流は、粗アルゴン塔２５の塔頂凝縮器２４を構成する熱交換器ブロックの側面で還流流路の上端位置に設けられたヘッダーを介して取り出され、図１に示した第１実施例における残ガス流７８と同様に大気中に放出されるようになっている。勿論、この残ガス流を別の送風機によって窒素・酸素分離用蒸留塔設備の空気圧縮機３の上流側にリサイクルするようにしてもよい。
【００４２】
図３は、本発明の第３実施形態に係る空気低温分離設備における粗アルゴン塔２５及び純アルゴン塔２０の部分系統図である。図示部分以外の他のプロセス系統は、図１又は図２の場合と同様である。この第３実施形態では、図２の場合と同様に、第１の粗アルゴン流２７６ａが液相状態で純アルゴン塔２０に送り込まれる。但し、図２の場合とは異なって、第１粗アルゴン流２７６ａの送り込み位置は純アルゴン塔２０の塔頂部ではなく、図１の場合のように純アルゴン塔２０の或る高さの中間位置である。また、この位置で純アルゴン塔内を上昇するガス流の一部２７７が取り出され、粗アルゴン塔２５の塔頂部にリサイクルされている。
【００４３】
粗アルゴン塔２５の塔頂凝縮器２４の還流流路頂部から取り出される蒸気流２７６ｂは第２の粗アルゴン流を形成する。この第２の粗アルゴン流２７６ｂは、凝縮器・蒸発器複合ユニットとして構成されている補助凝縮器２２７内で少なくとも部分的に凝縮される。補助凝縮器２７７から生じる凝縮液２８２は、純アルゴン塔２０の塔頂部に還流液として送り込まれる。補助凝縮器２２７の蒸発側は、塔頂凝縮器２４の蒸発側と同様に浴蒸発器として構成されており、しかもこれら凝縮器２４及び２２７は、冷却流体として液相状態の粗酸素流２３が供給されている同一の液浴内に配置されている。
【００４４】
図４に、本発明に従って粗アルゴン塔の塔頂凝縮器としての還流凝縮器を構成する熱交換器ブロックの高さ位置に関する塔頂ガス（上昇蒸気流）及び凝縮液の温度勾配と塔頂ガス中の窒素濃度の変化を示す。図４において、横軸は塔頂凝縮器を構成する熱交換器ブロックの高さ位置（０が最下端、１が最上端）を表し、左側の縦軸は温度（Ｋ）、右側の縦軸は窒素含有量（濃度％）である。黒塗り正方形のプロットで示す直線は還流流路内に生じる凝縮液の温度勾配（蒸発流路内の温度勾配と同等）であり、黒塗り菱形のプロットで示す直線は還流流路内で凝縮液と向流的に接触する塔頂ガス上昇流の温度勾配であり、これらの間には、還流凝縮器の高さ位置を問わず殆ど一定の温度差（ＭＴＤ）が保たれている。
【００４５】
図４において、黒塗り三角のプロットで示す曲線は還流流路内を上昇する塔頂ガス中の窒素含有量（濃度％）の変化を熱交換器ブロックの高さ位置に関して示すグラフである。この例では、還流凝縮器は５理論段に相当する分離効果を有する。即ち、粗アルゴン塔の塔頂凝縮器における１理論段当たりの窒素濃縮効果は約３倍（アルゴン中の窒素のＫ値）である。
【００４６】
本発明において、高圧塔、粗アルゴン塔又は純アルゴン塔の各塔頂部に配置される凝縮器は、いずれも鑞付けによるアルミニウム製のプレート式熱交換器で構成されていることが好ましい。プレート式熱交換器ブロックの熱交換流路は、波板、所謂フィンを備えたプレートで形成されていることが好ましい。還流凝縮器として構成する場合の還流流路側には、原則的には同一タイプのフィンを使用することができる。但し、還流凝縮器の場合には、種々異なるタイプのフィンを使用することが有利な場合もある。図５に還流凝縮器の特別な実施形態における還流流路の構成を模式的に示す。ここに示す還流凝縮器はＡ〜Ｄの４ブロックからなり、各ブロックの内面（還流流路側）には異なる形態のフィンが適用されている。この還流凝縮器の下方にある流入領域では、ガス流に対する負荷、即ち流体抵抗が最大である。上方に行くほどガスに対する負荷が小さくなっている。従って最下部の領域Ａでは、比圧損失が小さく且つ熱伝達が比較的良くないフィンが選ばれる。領域Ｂ〜Ｄと上方へ行くに従って、隣接する下段の領域よりも圧損失が大きく、熱伝達の良いフィンが使用される。例えば、上方へ行くほどフィンの波長が短く、即ちフィンの密度が増加するようにする。
【００４７】
図６は、還流凝縮器の別の実施形態における還流流路の構成を模式的に示す縦断面図である。この場合、還流凝縮器２４の還流流路は、原理的に上方に行くほど減少するガス負荷が補償される形態に構成されている。この還流流路には、凝縮されるべきガス流の一部が導管３８３を通して上方から下向きに送り込まれる。このため、下方領域におけるガス負荷は相応に小さくなる。頂部から下向きに流れ込むガス量は、凝縮されるべき全ガス量の極く一部に過ぎず、従って必要な配管が占めるスペースは僅かであり、構造の大形化は回避される。
【００４８】
本発明の更に別の実施形態として、還流凝縮器の気化側（蒸発流路側）を流下膜式蒸発器として構成することもできる。この場合、液相の冷却流体は上方から下向きに送り込まれ、蒸発流路の表面上を薄膜状の流れとなって下方へ流下する。この場合にも、還流凝縮器の高さ方向に沿って特に有利な蒸発温度と液化温度の勾配を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る空気低温分離設備の系統図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る空気低温分離設備の系統図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る空気低温分離設備における粗アルゴン塔及び純アルゴン塔の部分系統図である。
【図４】本発明に従って粗アルゴン塔の塔頂凝縮器としての還流凝縮器を構成する熱交換器ブロックの高さ位置に関する塔頂ガス（上昇蒸気流）及び凝縮液の温度と塔頂ガス中の窒素濃度の変化を示す線図である。
【図５】還流凝縮器の特別な一実施形態における還流流路の構成を模式的に示す縦断面図である。
【図６】還流凝縮器の別の実施形態における還流流路の構成を模式的に示す縦断面図である。
【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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