(57)【要約】  ポンプで汲み上げられた液体酸素流を、熱交換器内で圧縮空気との間接的な熱交換により加熱して加圧された酸素生成物を生成する酸素生成方法、並びに空気分離プラント及び熱交換器を含む装置。液体酸素流は、約５５ｂａｒ（ａ）を上回り約１５０ｂａｒ（ａ）以下の範囲まで加圧され、加熱された後は超臨界流体になる。空気は、酸素圧に応じた空気圧まで圧縮され、その結果、空気を圧縮する際に消費される力が最小になる。熱交換器は、アルミニウムから製作された蝋付けフィン熱交換器とすることができ、熱交換通路内に位置するフィンは、流路の長さを増大させて流れ分離を引き起こし、それによって熱変換器内の熱伝達係数を増大させるように、起伏する構成を有する。
2012517576.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素生成物を生成する方法であって、
約９０体積パーセント以上の純度を有する液体酸素流をポンプで汲み上げて、ポンプで汲み上げられた液体酸素流を生成するステップと、
熱交換器内で少なくとも圧縮空気流との間接的な熱交換によって前記ポンプで汲み上げられた液体酸素流を加熱して、前記酸素生成物を生成するステップとを含み、
前記ポンプで汲み上げられた液体酸素流が、前記熱交換器に入るとき、約５５ｂａｒ（ａ）を上回り約１５０ｂａｒ（ａ）以下の範囲内の酸素圧までポンプで汲み上げることによって加圧されており、前記ポンプで汲み上げられた液体酸素流が、前記熱交換器内で、前記酸素生成物が超臨界流体になる温度まで加熱され、前記空気が、ある空気圧まで圧縮され、前記熱交換器に入るとき、前記空気圧＝０．０００３×（酸素圧）３−（０．０１１４１×（酸素圧）２）＋２．２６３×（酸素圧）２＋２．５１７５という等式によって与えられる値にほぼ等しい空気圧となっている、方法。
【請求項２】
酸素生成物を生成する方法であって、
空気分離プラント内において約９０体積パーセント以上の純度で生成された液体酸素流をポンプで汲み上げ、それによってポンプで汲み上げられた液体酸素流を生成するステップと、
前記空気分離プラントの熱交換器内で少なくとも圧縮空気流との間接的な熱交換によって前記ポンプで汲み上げられた液体酸素流を加熱して、前記酸素生成物を生成するステップとを含み、
前記ポンプで汲み上げられた液体酸素流が、前記熱交換器に入るとき、約５５ｂａｒ（ａ）を上回り約１５０ｂａｒ（ａ）以下の範囲内の酸素圧まで加圧されており、前記ポンプで汲み上げられた液体酸素流が、前記熱交換器内で、前記酸素生成物が超臨界流体になる温度まで加熱され、前記空気が、ある空気圧まで圧縮され、前記熱交換器に入るとき、０．０００３×（酸素圧）３−（０．０１１４１×（酸素圧）２）＋（２．２６３×（酸素圧）２＋２．５１７５に等しい数量を約１０パーセント下回る値から約２０パーセントまでの範囲内の値に等しい空気圧となっている、方法。
【請求項３】
前記酸素圧が、前記空気分離プラントのターンダウン動作状態中の前記酸素圧で維持される、請求項２に記載された方法。
【請求項４】
前記ポンプで汲み上げられた液体酸素流及び前記空気が、前記空気のための空気通路及び前記ポンプで汲み上げられた液体酸素流のための酸素通路を少なくとも形成するようにフィンによって分離されて前記フィンに接続された分割シートを含むプレートフィン熱交換器内の通路を向流方向に通過し、
少なくとも前記空気通路内の前記フィンが、起伏する構成を有し、
前記空気が、前記フィンの前記起伏する構成により流れ分離を引き起こすのに十分な速度で前記空気通路を通過する、
請求項１又は請求項２に記載された方法。
【請求項５】
前記起伏する構成が、弧状構成の山及び谷を形成する前記フィンそれぞれの長さ寸法に沿って規則的な隔置された最大振幅点を有し、前記山及び前記谷が、フィンそれぞれのまっすぐな区間によって接続される、請求項４に記載された方法。
【請求項６】
前記酸素圧が少なくとも約８０ｂａｒ（ａ）であり、前記空気通路及び前記酸素通路が同一の構成を有する、請求項４に記載された方法。
【請求項７】
前記フィンの波長が、約０．３１７５ｃｍ（０．１２５インチ）以上であり約３．８１ｃｍ（１．５インチ）以下の波長範囲内である、請求項５に記載された方法。
【請求項８】
前記フィンが、隣接するフィン間で測定されるピッチ寸法より大きい最大振幅を有し、
前記フィンが、前記熱交換器を形成する材料に対する降伏応力にほぼ等しい許容できる引張り応力に約０．１５以上であり約０．５以下である安全率を掛けた値で前記空気圧を割った値に等しい係数を約０．４に掛けた値より大きい前記ピッチ寸法に等しい横方向の厚さを有する、
請求項７に記載された方法。
【請求項９】
前記熱交換器がアルミニウム製蝋付け構造である、請求項８に記載された方法。
【請求項１０】
約９０体積パーセント以上の純度を有する液体酸素流から酸素生成物を生成する装置であって、
前記液体酸素流を汲み上げ、それによってポンプで汲み上げられた液体酸素流を生成するポンプと、
空気を圧縮し、それによって圧縮空気流を生成する圧縮器と、
前記ポンプ及び前記圧縮器に接続された熱交換器であり、前記熱交換器内で少なくとも前記圧縮空気流との間接的な熱交換によって前記ポンプで汲み上げられた液体酸素流を加熱して、前記酸素生成物を生成する、熱交換器とを備え、
前記ポンプが、前記液体酸素流を汲み上げるように構成され、したがって前記ポンプで汲み上げられた液体酸素流が、前記熱交換器に入るとき、約５５ｂａｒ（ａ）を上回り約１５０ｂａｒ（ａ）以下の範囲内の酸素圧まで加圧されており、
前記圧縮器が、前記空気を圧縮するように構成され、したがって前記空気が、前記熱交換器に入るとき、前記空気圧＝０．０００３×（酸素圧）３−（０．０１１４１×（酸素圧）２）＋２．２６３×（酸素圧）２＋２．５１７５という等式によって与えられる値にほぼ等しい空気圧まで圧縮されており、
前記熱交換器が、前記ポンプで汲み上げられた液体酸素流が前記熱交換器内で、前記酸素生成物が超臨界流体になる温度まで加熱されるように構成される、装置。
【請求項１１】
酸素生成物を生成する空気分離プラントであって、
空気を圧縮する圧縮器と、
前記圧縮器に接続され、前記空気を精製し、それによって圧縮及び精製された空気流を生成する予備精製と、
前記予備精製ユニットに接続された昇圧圧縮器と、
前記予備精製ユニット及び前記昇圧圧縮器に接続された少なくとも１つの熱交換器であり、前記圧縮及び精製された空気流の一部が、前記少なくとも１つの熱交換器内で冷却され、前記圧縮及び精製された空気流のさらなる部分が、前記昇圧圧縮器内で圧縮されて圧縮空気流を形成し、前記圧縮空気流が、前記少なくとも１つの熱交換器内で冷却されるように構成された少なくとも１つの熱交換器と、
前記圧縮及び精製された空気流並びに前記圧縮空気流のうち冷却した後の部分を受け取るように、前記少なくとも１つの熱交換器に接続された空気分離ユニットであり、前記空気を整流し、それによって約９０体積パーセント以上の酸素純度を有する液体酸素流を生成するように構成された空気分離ユニットと、
前記空気分離ユニットに接続され、前記液体酸素流を汲み上げ、それによってポンプで汲み上げられた液体酸素流を生成するポンプとを備え、
前記少なくとも１つの熱交換器が、前記ポンプと前記昇圧圧縮器の間に位置決めされ、また前記ポンプで汲み上げられた液体酸素流が、前記少なくとも１つの熱交換器内で少なくとも前記圧縮空気流との間接的な熱交換によって加熱され、前記酸素生成物が超臨界流体になり前記圧縮空気流が液体になる超臨界温度で前記酸素生成物を生成するように構成され、
前記ポンプが、前記液体酸素流を汲み上げるように構成され、したがって前記ポンプで汲み上げられた液体酸素流が、前記熱交換器に入るとき、約５５ｂａｒ（ａ）を上回り約１５０ｂａｒ（ａ）以下の範囲内の酸素圧まで加圧されており、
前記昇圧圧縮器が、前記圧縮空気流を圧縮するように構成され、前記圧縮空気流が、前記少なくとも１つの熱交換器に入るとき、０．０００３×（酸素圧）３−（０．０１１４１×（酸素圧）２）＋（２．２６３×（酸素圧）２＋２．５１７５に等しい数量を１０パーセント下回る値以上であり２０パーセント上回る値以下である範囲内の値に等しい空気圧を有する、空気分離プラント。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの熱交換器が、前記予備精製ユニットと前記空気分離ユニットの間に位置決めされ、前記空気流のうち圧縮及び精製された部分を冷却するように構成された第１の熱交換器、並びに前記昇圧圧縮器と前記ポンプの間に位置決めされ、前記圧縮空気流を冷却し、前記ポンプで汲み上げられた液体酸素流を温める第２の熱交換器である、請求項１１に記載された空気分離プラント。
【請求項１３】
前記熱交換器が、前記空気のための空気通路及び前記ポンプで汲み上げられた液体酸素流のための酸素通路を少なくとも形成するようにフィンによって分離されて前記フィンに接続された分割シートを含むプレートフィン熱交換器であり、
少なくとも前記空気通路内の前記フィンが、起伏する構成を有する、
請求項１０に記載された装置。
【請求項１４】
前記起伏する構成が、弧状構成の山及び谷を形成する前記フィンそれぞれの長さ寸法に沿って規則的な隔置された最大振幅点を有し、前記山及び前記谷が、フィンそれぞれのまっすぐな区間によって接続される、請求項１３に記載された装置。
【請求項１５】
前記ポンプが、少なくとも約８０ｂａｒ（ａ）の酸素圧までその液体酸素流を汲み上げるように構成され、前記空気通路及び前記酸素通路が同一の構成を有する、請求項１３に記載された装置。
【請求項１６】
前記フィンの波長が、約０．３１７５ｃｍ（０．１２５インチ）以上であり約３．８１ｃｍ（１．５インチ）以下の波長範囲内である、請求項１４に記載された装置。
【請求項１７】
前記フィンが、隣接するフィン間で測定されるピッチ寸法より大きい最大振幅を有し、
前記フィンが、前記熱交換器を形成する材料に対する降伏応力にほぼ等しい許容できる引張り応力に約０．１５以上であり約０．５以下である安全率を掛けた値で前記空気圧を割った値に等しい係数を約０．４に掛けた値より大きい前記ピッチ寸法に等しい横方向の厚さを有する、
請求項１６に記載された装置。
【請求項１８】
前記熱交換器がアルミニウム製蝋付け構造である、請求項１７に記載された装置。
【請求項１９】
前記第２の熱交換器が、前記空気のための空気通路及び前記ポンプで汲み上げられた液体酸素流のための酸素通路を少なくとも形成するようにフィンによって分離されて前記フィンに接続された分割シートを含むプレートフィン熱交換器であり、
少なくとも前記空気通路内の前記フィンが、起伏する構成を有する、
請求項１２に記載された空気分離プラント。
【請求項２０】
前記起伏する構成が、弧状構成の山及び谷を形成する前記フィンそれぞれの長さ寸法に沿って規則的な隔置された最大振幅点を有し、前記山及び前記谷が、フィンそれぞれのまっすぐな区間によって接続される、請求項１９に記載された空気分離プラント。
【請求項２１】
前記ポンプが、少なくとも約８０ｂａｒ（ａ）の酸素圧までその液体酸素流を汲み上げるように構成され、前記空気通路及び前記酸素通路が同一の構成を有する、請求項１９に記載された空気分離プラント。
【請求項２２】
前記フィンの波長が、約０．３１７５ｃｍ（０．１２５インチ）以上であり約３．８１ｃｍ（１．５インチ）以下の波長範囲内である、請求項２０に記載された空気分離プラント。
【請求項２３】
前記フィンが、隣接するフィン間で測定されるピッチ寸法より大きい最大振幅を有し、
前記フィンが、前記熱交換器を形成する材料に対する降伏応力にほぼ等しい許容できる引張り応力に約０．１５以上であり約０．５以下である安全率を掛けた値で前記空気圧を割った値に等しい係数を約０．４に掛けた値より大きい前記ピッチ寸法に等しい横方向の厚さを有する、
請求項２２に記載された空気分離プラント。
【請求項２４】
前記第２の熱交換器がアルミニウム製蝋付け構造である、請求項２３に記載された空気分離プラント。
【請求項２５】
圧縮空気流のための空気通路及びポンプで汲み上げられた液体酸素流のための酸素通路を少なくとも形成するようにフィンによって分離されて前記フィンに接続された分割シートを含み、
少なくとも前記空気通路内の前記フィンが、起伏する構成を有し、
前記熱交換器が、前記熱交換器に入るとき、約５５ｂａｒ（ａ）を上回り約１５０ｂａｒ（ａ）以下の範囲内の前記ポンプで汲み上げられた液体酸素流の酸素圧に耐え、また前記熱交換器に入るとき、０．０００３×（酸素圧）３−（０．０１１４１×（酸素圧）２）＋（２．２６３×（酸素圧）２＋２．５１７５に等しい数量を１０パーセント下回る値以上であり２０パーセント上回る値以下である範囲内の値に等しい前記圧縮空気流の空気圧に耐えるように構成される、
プレートフィン熱交換器。
【請求項２６】
前記起伏する構成が、弧状構成の山及び谷を形成する前記フィンそれぞれの長さ寸法に沿って規則的な隔置された最大振幅点を有し、前記山及び前記谷が、フィンそれぞれのまっすぐな区間によって接続される、請求項２５に記載されたプレートフィン熱交換器。
【請求項２７】
前記酸素圧が少なくとも約８０ｂａｒ（ａ）であり、前記空気通路及び前記酸素通路が同一の構成を有する、請求項２５に記載されたプレートフィン熱交換器。
【請求項２８】
前記フィンの波長が、約０．３１７５ｃｍ（０．１２５インチ）以上であり約３．８１ｃｍ（１．５インチ）以下の波長範囲内である、請求項２６に記載されたプレートフィン熱交換器。
【請求項２９】
前記フィンが、隣接するフィン間で測定されるピッチ寸法より大きい最大振幅を有し、
前記フィンが、前記熱交換器を形成する材料に対する降伏応力にほぼ等しい許容できる引張り応力に約０．１５以上であり約０．５以下である安全率を掛けた値で前記空気圧を割った値に等しい係数を約０．４に掛けた値より大きい前記ピッチ寸法に等しい横方向の厚さを有する、
請求項２８に記載されたプレートフィン熱交換器。
【請求項３０】
前記プレートフィン熱交換器がアルミニウム製蝋付け構造である、請求項２０に記載されたプレートフィン熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプで汲み上げられた液体酸素流を、熱交換器内で圧縮空気との間接的な熱交換により加熱することによって、超臨界流体として酸素生成物を生成する方法、並びに空気分離プラント及び熱交換器を含む装置に関する。より詳細には、本発明は、ポンプで汲み上げられた液体酸素流を加熱するために熱交換器内で利用される空気圧が酸素圧に応じて選択され、その結果、圧縮エネルギーの消費が最小になり、又は最小に非常に近接する方法及び装置に関する。さらに詳細には、本発明は、熱交換器がプレートフィン熱交換器である方法及び装置並びに空気分離プラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
非常に高圧で酸素を供給することが可能であり、酸素が超臨界流体、すなわち蒸気、固体、又は液体のいずれでもなく、超臨界点を上回る温度及び圧力を有する高密度の流体として存在するシステムが、ますます必要とされている。酸素の場合、この温度及び圧力は、１５４．７８Ｋ及び５０．８３ｂａｒ（ａ）を上回る。
【０００３】
こうしてますます必要とされている１つの理由は、ガス化の適用分野が成長していることにある。ガス化とは、環境に優しい技術であり、石炭若しくは他の比較的低い値の供給原料を利用して、これらを高い値の生成物に変換することができ、又は別法として、ガス化装置内で供給原料をガス化して水素及び一酸化炭素含有流にすることによって、クリーンな電力源をもたらすことができる。これらのガス化装置は通常、高圧の酸素を必要とし、酸素は超臨界流体として供給される。一般に、多くの異なるタイプのガス化装置が存在するが、低品位炭素を含有する材料は、酸素の存在下で、水素及び一酸化炭素含有流に変換され、これをさらに処理して、発電の際に燃料として、及び／若しくは水素源として使用することができ、又はさらに処理して、化学物質、化学肥料、若しくは液体燃料などの貴重な生成物を生成することができる。さらに、そのような処理では蒸気が生成され、この蒸気をさらに使用して、発電機を駆動することができる。
【０００４】
そのような酸素は、液体酸素を蒸発させ、次いで酸素を圧縮して加圧することによって供給できるが、液体酸素は、高圧までポンプで汲み上げ、次いで臨界温度まで加熱することができる。臨界温度では、その結果得られる酸素生成物は超臨界流体として存在する。通常、ポンプで汲み上げる動作は極低温空気分離プラント内に組み込まれるが、ポンプで汲み上げる動作をそのようなプラントとは独立して行うことも可能である。圧力をかけて酸素を生成する際に使用される極低温空気分離プラントでは、空気が圧縮され、精製され、次いで蒸留塔システム内の整流に適した温度に冷却される。
【０００５】
空気の整流には異なる蒸留塔システムが存在するが、一般的なシステムは、凝縮器リボイラを用いて熱的につながれた高圧塔と低圧塔という２つの塔を含む。空気は、露点又はその付近まで冷却された後、次いで高圧塔内へ導入され、そこで空気から窒素が分離され、塔頂には窒素が多く含まれ、塔底には精製してない液体酸素がたまる。塔底の精製してない液体酸素は、低圧塔内でさらに精製され、塔底には酸素を多く含んでいる液体がたまり、塔頂には窒素が多く含まれる。高圧塔内で精製された塔頂に多く含まれる窒素のすべて又は一部は凝縮され、それに対して低圧塔の塔底の酸素を多く含んでいる液体は沸騰され、高圧塔と低圧塔の両方に還流をもたらす。
【０００６】
低圧塔内の残りの酸素を多く含んでいる液体から引き出された液体酸素は、ポンプで汲み上げて加圧され、次いで１つ若しくは複数の生成物流に対して空気を冷却する際に使用される多重流の主熱交換器内で加熱され、又は酸素の加熱専用の別個の熱交換器内で加熱される。どちらの場合も、整流すべき空気の一部は、昇圧圧縮器内でさらに圧縮され、次いで酸素を加熱し、次いで高圧酸素を必要とするガス化装置又は他のプロセス内で使用できる高圧の酸素生成物を生成するために使用される。
【０００７】
この議論から理解できるように、酸素を生成する際に使用される原材料は、第１の場合に空気を圧縮し、その空気をさらに圧縮して、ポンプで汲み上げられた酸素を蒸発させるためのエネルギーを生成するために引き出される電力、又は消費される蒸気、又は燃やされる燃料である。この点に関して、極低温整流が極低温の温度で行われ、また熱漏れ、貯蔵、予備、又は商業用の液体販売のためにプラントから除去される液体生成物、及び高温端損失による熱損失が存在するため、冷却を行わなければならない。これは一般的に、分離すべき空気の一部をさらに圧縮し、次いでこの空気をターボエキスパンダ内で膨張させて膨張の仕事量を除去することによって実現される。その結果生じる排気は、次いで蒸留塔システム内へ導入される。空気分離プラント内に冷却を生じさせるための他の知られているプロセスも存在する。冷却を行うことは、プラントのさらなるエネルギー要件である。
【０００８】
酸素が超臨界流体として存在する圧力を上回る超臨界圧で、また酸素の物理的状態を超臨界流体と定める温度で酸素を生成するには、酸素の生成を経済的に魅力的なものにするために、空気を圧縮する際に消費されるエネルギーを最小又は最小付近にしなければならない。Ｗ．Ｆ．Ｃａｓｔｌｅによる８９  ＡＩＣｈＥ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  Ｓｅｒｉｅｓ  ２９４、「Ｍｏｄｅｒｎ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｕｍｐ  Ｏｘｙｇｅｎ  Ｐｌａｎｔｓ：Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ  ａｎｄ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ」、Ｎｏ．２９４、ＢＯＣ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｐｌａｎｔｓ、１４頁では、経験則から、空気の圧力は必要な酸素圧の約２．３倍にしなければならないと述べている。ある範囲の酸素圧にわたってシミュレーションを行い、５℃という高温端温度差及び約１．５℃という加熱曲線と冷却曲線の接近又はピンチで動作させた熱交換器内で、圧縮空気によって酸素を蒸発させた。結果は、グラフ形式で提示された。グラフに示された曲線では、４０ｂａｒを上回る酸素圧で、必要な空気圧が酸素圧のほぼ２倍になる関係から、曲線は平坦になった。しかし同論文では、そのような曲線はプラントの最善の電力消費に対する最適の条件を表すわけではなく、そのような最適の条件について同論文中には提示しないと述べている。また、１００ｂａｒを下回る空気圧に対する熱交換器は、従来のアルミニウム製蝋付けプレートフィン熱交換器とすることができるとも述べている。しかし、より高圧では、より高価なコイル状熱交換器を使用しなければならない。
【０００９】
また、米国特許第６，４３０，９６２号は、酸素を超臨界流体として生成することについて考慮している。この特許では、空気分離プラントの低圧塔内で生成される酸素は、超臨界圧までポンプで汲み上げられ、次いでアルミニウム製蝋付けプレートフィン熱交換器内で蒸発される。熱交換器の高温端で酸素と空気の間の温度差が狭くなればなるほど、熱交換器内の熱応力はより低くなると述べている。２つの場合が比較され、一方は、５．０４３Ｍｐａという酸素の臨界圧力より０．６１Ｍｐａ低く、他方は、この臨界圧力をはるかに上回り、８．１４Ｍｐａという圧力であった。この比較から、臨界未満の圧力では、高温端温度差は４０℃と大きく、高圧では、高温端温度差は１２℃であることが明らかになった。こうして温度差をより小さくすることで、熱交換器内の熱応力を低減させ、そのような適用分野でのアルミニウム製蝋付けプレートフィン熱交換器の使用を可能にする。しかし、この特許では、空気を圧縮する際に使用される電力に対するプラントの最も効率的な動作に関して何も言及していない。さらに、熱交換器自体の設計に関する詳細は与えられていない。
【００１０】
米国特許第７，２１９，７１９号では、１００ｂａｒを上回る酸素圧で使用するように設計されたアルミニウム製蝋付けプレートフィン熱交換器設計が開示されている。この特許では、高圧チャネル内で、そのような高圧に耐えるのに十分な厚さを有するまっすぐな押出し成形フィンが使用される。平均フィン厚さと、幾何学的ピッチ、又は隣接するフィン間の間隔との比は、０．２より大きく０．８より小さいことが好ましいと述べている。しかし、論じるように、そのような設計では、空気流とポンプで汲み上げられた酸素流の間で必要な熱交換を実現するのに必要な寸法の割には、熱交換器は効率がよくない。米国特許第６，９５１，２４５号は、まっすぐなフィンを用いる別のアルミニウム製蝋付けプレートフィン熱交換器を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第６，４３０，９６２号
【特許文献２】米国特許第７，２１９，７１９号
【特許文献３】米国特許第６，９５１，２４５号
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｗ．Ｆ．Ｃａｓｔｌｅによる８９  ＡＩＣｈＥ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  Ｓｅｒｉｅｓ  ２９４、「Ｍｏｄｅｒｎ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｕｍｐ  Ｏｘｙｇｅｎ  Ｐｌａｎｔｓ：Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ  ａｎｄ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ」、Ｎｏ．２９４、ＢＯＣ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｐｌａｎｔｓ、１４頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
論じるように、他の利点の中でも、本発明は、超臨界圧空気を使用してポンプで汲み上げられた液体酸素流を加熱することを含む、酸素生成物を超臨界流体として生成する方法を提供し、この方法では、空気圧縮器によって消費される電力を最小にすることができ、また従来技術で開示されているものより効率的なフィン設計を組み込む熱交換器設計とともに使用できる関係が明らかになった。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
一態様では、本発明は、酸素生成物を生成する方法を提供し、この方法では、約９０体積パーセント以上の純度を有する液体酸素流をポンプで汲み上げて、ポンプで汲み上げられた液体酸素流を生成する。ポンプで汲み上げられた液体酸素流は、熱交換器内で少なくとも圧縮空気流との間接的な熱交換によって加熱され、酸素生成物を生成する。この点に関して、本明細書及び特許請求の範囲においてこの文脈で使用される「少なくとも」という用語は、唯一の加熱流が空気流であるバンク式熱交換プロセス、又は別法として、他の流れも存在しうる熱交換器を包含するものとする。他の流れは、ターボエキスパンダ内へ渡して空気分離プラント内で冷却を生じさせるための主な空気流及び昇圧流など、はるかに小さい程度ではあるが、加熱機能を果たす。ポンプで汲み上げられた液体酸素流は、熱交換器に入るとき、約５５ｂａｒ（ａ）を上回り約１５０ｂａｒ（ａ）以下の範囲内の酸素圧まで加圧されており、熱交換器内で、酸素生成物が超臨界流体になる温度まで加熱される。本明細書及び特許請求の範囲では、「温度」とは、酸素の超臨界温度以上の任意の温度であり、１５４．７８Ｋ以上である。圧縮空気流は、熱交換器に入るとき、空気圧＝０．０００３×（酸素圧）３−（０．０１１４１×（酸素圧）２）＋（２．２６３×（酸素圧）２＋２．５１７５という等式によって与えられる値にほぼ等しい空気圧まで圧縮されている。
【００１５】
論じるように、上記の等式に従って空気流が空気圧に圧縮されたとき、圧縮のエネルギーは常に、所与の熱交換器デューティーで最小になり、又は最小に非常に近接する。そのような熱交換器を単独で使用して、液体源からの加圧した酸素を送達することができるが、この熱交換器を空気分離プラント内に組み込むこともできることにも留意されたい。そのような場合、空気圧は、同じく論じる理由のため、必ずしも最小ではないが、上記の等式から求められた数量を約１０パーセント下回る値以上であり約２０パーセント上回る範囲内の値に等しくすることができる。この点に関して、酸素圧は、空気分離プラントのターンダウン動作状態中の酸素圧で維持することができる。
【００１６】
上記で論じた従来技術に対して、Ｃａｓｔｌｅで図示されるように、意味のある利益は、約５５ｂａｒ（ａ）を上回る酸素圧で導出されることにさらに留意されたい。この理由は、より低い酸素圧では、上記の等式によって与えられる酸素を蒸発させるのに必要な空気圧が、そのような従来技術で企図される空気圧の１０ｂａｒ以下の範囲内になるためである。しかし本発明者らは、そのような１０ｂａｒの差とは、そのような等式の範囲内で動作する単位電力の改善が、生成される酸素１０００ｃｆｈ当たり最大約０．０８ｋＷになることに対応し、これは、空気分離プラント内で使用される昇圧空気圧縮器内で消費される電力の約１パーセントの低減につながると計算した。これは、空気分離プラント内の全体的な電力消費の２分の１パーセント未満の低減になる。当業者には理解されるように、少なくとも財務上の観点から、電力のコストを考えると、これは意味のある動作の改善ではない。しかし、上記の等式から導出される空気圧で動作するとき、５５ｂａｒ（ａ）を上回る酸素圧では、はるかに意味のある単位電力の改善を得ることができ、改善は、酸素圧が増大するにつれてより大きくなる。たとえば８０ｂａｒ（ａ）の酸素では、昇圧空気圧縮器の電力消費の改善は約４パーセントになり、したがって空気分離プラントの全体的な電力消費の改善は約２パーセントになる。この範囲の上端、１５０ｂａｒ（ａ）の酸素では、必要な空気圧に耐えることが可能な熱交換器の動作に関連するリスクがあらゆる電力の利益を上回るため、上記の等式によって与えられるものより高い電力消費ではあるがより低い圧力が使用される。
【００１７】
ポンプで汲み上げられた液体酸素流及び圧縮空気流は、空気のための空気通路及びポンプで汲み上げられた液体酸素流のための酸素通路を少なくとも形成するように波形フィンによって分離されてこれらのフィンに接続された分割シートを含むプレートフィン熱交換器内の通路を向流方向に通過することができる。この点に関して、そのような空気及び酸素通路は、上記のように、酸素の蒸発専用の熱交換器、以下に論じるいわゆる「バンク式」設計、並びに空気及び窒素などの複数の流れのための通路を有するユニットに本発明を等しく適用できるという点から、「少なくとも」形成される。少なくとも空気通路内のフィンは、波状又は起伏する構成を備えることができ、したがってフィンを通る圧縮空気の流路は、同じフィン厚さ及びピッチをもつまっすぐに通った平らなフィン構成より増大し、圧縮空気流は、フィンの起伏する構成により流れ分離を引き起こすのに十分な速度で、起伏するフィンを含む空気通路を通過する。そのような速度は、層流と乱流の間の遷移領域、又は完全に乱流とすることができる。流れ分離により、流れ方向の周期的な変化のために熱境界層を周期的に破断し、その結果、流体から起伏するフィンの表面への熱伝達率を高める。起伏するフィンは、熱交換器内の他の層に熱的に接続される。
【００１８】
別の態様では、本発明は、約９０体積パーセント以上の純度を有する液体酸素流から酸素生成物を生成する装置を提供する。本発明のこの態様によれば、液体酸素流を汲み上げるためにポンプが提供され、それによってポンプで汲み上げられた液体酸素流を生成する。空気を圧縮するために圧縮器が提供され、それによって圧縮空気流を生成し、またポンプ及び圧縮器に熱交換器が接続され、したがってポンプで汲み上げられた液体酸素流は、熱交換器内で少なくとも圧縮空気流との間接的な熱交換によって加熱され、酸素生成物を生成する。この点に関して、本明細書及び特許請求の範囲においてこの文脈で使用される「少なくとも」という用語は、唯一の加熱流が空気流であるバンク式熱交換プロセス、又は別法として、他の流れも存在しうる熱交換器を包含するものとする。他の流れは、ターボエキスパンダ内へ渡して空気分離プラント内で冷却を生じさせるための主な空気流及び昇圧流など、はるかに小さい程度ではあるが、加熱機能を果たす。
【００１９】
ポンプは、液体酸素流を汲み上げるように構成され、したがってポンプで汲み上げられた液体酸素流は、熱交換器に入るとき、約５５ｂａｒ（ａ）を上回り約１５０ｂａｒ（ａ）以下の範囲内の酸素圧まで加圧されている。圧縮器は、空気を圧縮するように構成され、したがって空気は、熱交換器に入るとき、空気圧＝０．０００３×（酸素圧）３−（０．０１１４１×（酸素圧）２）＋２．２６３×（酸素圧）２＋２．５１７５という等式によって与えられる値にほぼ等しい空気圧まで圧縮されている。熱交換器は、ポンプで汲み上げられた液体酸素流が、酸素生成物が超臨界流体になる温度まで熱交換器内で加熱されるように構成される。本明細書及び特許請求の範囲では、「温度」とは、酸素の超臨界温度以上の任意の温度であり、１５４．７８Ｋ以上である。
【００２０】
さらに別の態様では、本発明は、酸素生成物を生成する空気分離プラントを提供する。本発明のこの態様によれば、空気を圧縮するために圧縮器が提供され、またこの空気を精製するために圧縮器に予備精製が接続され、それによって圧縮及び精製された空気流を生成する。予備精製ユニットには、昇圧圧縮器が接続される。予備精製ユニット及び昇圧圧縮器には、少なくとも１つの熱交換器が接続されており、圧縮及び精製された空気流の一部を少なくとも１つの熱交換器内で冷却し、また圧縮及び精製された空気流のさらなる部分を昇圧圧縮器内で圧縮して圧縮空気流を形成し、この圧縮空気流を少なくとも１つの熱交換器内で冷却するように構成される。少なくとも１つの熱交換器には、圧縮及び精製された空気流並びに圧縮空気流のうち冷却した後の部分を受け取るように、空気分離ユニットが接続され、また空気を整流し、それによって約９０体積パーセント以上の酸素純度を有する液体酸素流を生成するように構成される。
【００２１】
空気分離ユニットにはポンプを接続して液体酸素流を汲み上げ、それによってポンプで汲み上げられた液体酸素流を生成する。少なくとも１つの熱交換器は、ポンプと昇圧圧縮器の間に位置決めされ、また少なくとも１つの熱交換器内で少なくとも圧縮空気流との間接的な熱交換によってポンプで汲み上げられた液体酸素流を加熱し、超臨界温度で酸素生成物を生成するように構成される。超臨界温度では、酸素生成物は超臨界流体になり、圧縮空気流は液体になる。ポンプは、液体酸素流を汲み上げるように構成され、したがってポンプで汲み上げられた液体酸素流は、熱交換器に入るとき、約５５ｂａｒ（ａ）を上回り約１５０ｂａｒ（ａ）以下の範囲内の酸素圧まで加圧されている。昇圧圧縮器は、圧縮空気流を圧縮するように構成され、したがって圧縮空気流は、少なくとも１つの熱交換器に入るとき、０．０００３×（酸素圧）３−（０．０１１４１×（酸素圧）２）＋（２．２６３×（酸素圧）２＋２．５１７５に等しい数量を１０パーセント下回る値以上であり２０パーセント上回る値以下である範囲内の値に等しい空気圧を有する。
【００２２】
少なくとも１つの熱交換器は、第１の熱交換器及び第２の熱交換器とすることができる。第１の熱交換器は、予備精製ユニットと空気分離ユニットの間に位置決めされ、空気流のうち圧縮及び精製された部分を冷却するように構成される。第２の熱交換器は、昇圧圧縮器とポンプの間に位置決めされ、圧縮空気流を冷却するように、そしてポンプで汲み上げられた液体酸素流を温めるように構成される。
【００２３】
本発明のいずれの態様でも、ポンプで汲み上げられた液体酸素流と空気の間の間接的な熱交換は、プレートフィン熱交換器内で行うことができる。この点に関して、本発明のさらなる態様では、圧縮空気流のための空気通路及びポンプで汲み上げられた液体酸素流のための酸素通路を少なくとも形成するようにフィンによって分離されてこれらのフィンに接続された分割シートを含むプレートフィン熱交換器が提供される。この点に関して、そのような空気及び酸素通路は、上記のように、ポンプで汲み上げられた液体酸素の加熱専用の熱交換器に本発明を等しく適用できるという点から、「少なくとも」形成される。たとえば、いわゆる「バンク式」設計において第２の熱交換器が用いられる上記で論じた空気分離プラントでは、熱交換器は、ポンプで汲み上げられた液体酸素流の加熱専用とすることができる。少なくとも空気通路内のフィンは、起伏する構成を有する。理解できるように、そのような熱交換器は、熱交換器に入るとき、約５５ｂａｒ（ａ）を上回り約１５０ｂａｒ（ａ）以下の範囲内のポンプで汲み上げられた液体酸素流の酸素圧に耐え、また熱交換器に入るとき、０．０００３×（酸素圧）３−（０．０１１４１×（酸素圧）２）＋（２．２６３×（酸素圧）２＋２．５１７５に等しい数量を１０パーセント下回る値以上であり２０パーセント上回る値以下である範囲内の値に等しい圧縮空気流の空気圧に耐えるように構成される。
【００２４】
装置、空気分離プラント、及び熱交換器自体に関する本発明の上記の態様では、少なくとも空気通路内のフィンは、波状又は起伏する構成を備えることができ、したがってフィンを通る圧縮空気の流路は、同じフィン厚さ及びピッチをもつまっすぐに通った平らなフィン構成より増大する。
【００２５】
本発明のいずれかの態様に関連して使用されるいずれの熱交換器でも、起伏する構成は、弧状構成の山及び谷を形成するフィンそれぞれの長さ寸法に沿って、規則的な隔置された最大振幅点を有することができることが好ましい。山及び谷は、フィンそれぞれのまっすぐな区間によって接続される。フィンの波長は、約０．３１７５ｃｍ（０．１２５インチ）以上であり約３．８１ｃｍ（１．５インチ）以下である波長範囲にほぼ等しいことが好ましい。酸素圧が少なくとも約８０ｂａｒ（ａ）であるとき、空気通路及び酸素通路は、同一の構成を有することができる。フィンの最大振幅は、隣接するフィン間で測定されるピッチ寸法より大きい。フィンの横方向の厚さとピッチ寸法の比は、熱交換器を形成する材料に対する降伏応力にほぼ等しい許容できる引張り応力に約０．１５以上であり約０．５以下である安全率を掛けた値で空気圧を割った値に等しい係数を約０．４に掛けた値より大きくすることができる。本発明のいずれの態様の熱交換器も、アルミニウム製蝋付け構造とすることができる。
【００２６】
本明細書は、本出願人らが本出願人の発明と考える主題を明確に示す特許請求の範囲に帰結する。本発明は、添付の図面を参照してよりよく理解されると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の好ましい実施例による酸素圧と空気圧の関係を示し、またそのような関係を従来技術で示すものと比較するグラフである。
【図２】酸素生成物がポンプで汲み上げられて蒸発する空気分離プラントの概略図である。
【図３】本発明による熱交換器の図である。
【図４】図３の線３−３に沿って切り取った、図３に示す熱交換器の概略断面図である。
【図５】図３に示す熱交換器内のフィンの構成を示し、そのような熱交換器の一部分を分離した部分平面図である。
【図６】図５の部分立面横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１を参照すると、実線で図示されている曲線は、特定の酸素圧で本発明によるポンプで汲み上げられた液体酸素を加熱するのに必要な空気圧を表し、超臨界流体としてポンプで汲み上げて加熱した結果、酸素生成物を生成する。そのような空気圧が使用されると、特定の酸素圧に対して最小の圧縮力を得ることができる。
【００２９】
当技術分野では周知のように、空気を圧縮する際に消費される動力は、２つの要素、すなわち空気が圧縮される圧力及び空気の流量に関係する。空気圧及び流量は、熱交換器を通過した後、指定の流量及び圧力で加圧液体から超臨界流体へ酸素を加熱するのに十分でなければならない。空気の流量が少なければ少ないほど、酸素の特定の流れ及び圧力に必要な圧力は大きくなり、逆も同様であることは明らかである。所望の目標を実現する圧縮空気流の圧力と流量には多くの組合せが存在するが、加熱される酸素の特定の圧力には特有の空気圧が存在し、加圧された液体酸素流を周囲温度まで加熱する際の熱要件を満たすために空気の流量を変動させるとき、空気圧縮器による電力消費が常に最低になることが、本発明者らによって見出された。この点に関して、計算に使用された実際の周囲温度は２４．４℃（２９７．５５Ｋ）であったが、この周囲温度の実際の値は、図１のグラフに提示した結果も、入ってくる液体酸素の実際の温度も変化させない。入ってくる液体酸素の実際の温度は、約−１７７℃（９６．１５Ｋ）と仮定した。さらに、計算で仮定されたものを含めて、いかなる圧縮システムでも、圧縮の熱は、熱交換器に入る前に、通常水を使用して空気を冷却する給気冷却器によって、周囲温度レベルまで空気から除去される。しかし、流量の場合と同様に、これらの温度はいずれも、図１に提示する結果にいかなる影響も与えない。その代わりに、流量及び入るときの温度などの変数は、空気と酸素の間で間接的な熱交換を行うために使用される熱交換器設計に影響を与える。
【００３０】
空気の必要な流量は、酸素の流量及び使用される特定の熱交換器の設計に依存する。言い換えると、空気の流量は、全体的な熱伝達係数と熱伝達面積（「ＵＡ」）と対数平均温度差の積に依存する。いかなる熱交換器でも、変動は、「ピンチ」として知られている加熱曲線と冷却曲線の最小接近に依存する。ピンチは、最適な場合、１．０Ｋ以上にするべきである。ピンチが狭くなりすぎると、わずかな流れの変動がプロセスに大きな影響を与えるという点で、所望の特定の熱交換を実現するのが困難になる。空気分離プラントの場合、さらなる冷却を追加することなくプラントを自立させるには、別の事実上の制約は、熱交換器の高温端における高温端温度差を事実上約５Ｋ以下にするべきであるということである。ポンプで汲み上げられた液体酸素を蒸発させるのに十分な圧力まで空気を昇圧するために使用される空気圧縮は、空気分離プラントによって消費される電力の約３０パーセントであり、したがってそのような電力は非常に大きいことに留意されたい。結局は、高温端温度差及びピンチは、図１から導出される空気圧に影響を与えない。
【００３１】
図１の別の結果は、曲線１が平滑であること、そして既存の空気分離プラントの実際の最適化された動作圧力に対して検証された圧縮すべき酸素の臨界未満の圧力も包含したことである。これらの低い圧力では、曲線は、従来技術、特に上記で論じたＣａｓｔｌｅの結果にかなり一致する。しかし意外なことに、酸素の超臨界圧では、図１の図示の曲線とＣａｓｔｌｅに示すものに大きな相違がみられる。上記のように、この参照に図示する従来技術の曲線は、熱交換器内では、酸素が低温端における加圧された液体状態から高温端における高密度の超臨界流体へ遷移することを考えれば予期される曲線の形状の変化を示す。本発明者らは、そのような状態の変化が図１に示す最適の電力曲線に影響を与えないことを見出した。特定の動作理論に限定しようとするものではないが、空気を圧縮する圧縮器によって消費される最も効率的な電力とポンプで汲み上げられた液体酸素を温めるのに必要な熱エネルギーとの関係は、単にエネルギーに応じるにすぎず、たとえば物理的状態の変化に関連して考慮すると不連続性が見出されると、本発明者らには考えられている。
【００３２】
本発明を適用できるように本発明を適切に定量化するために、図示の曲線を構成する点は、多項式曲線適合技法によって一般化した。この技法では、圧縮器へ入力される電力の観点から、加圧された液体酸素を蒸発させるのに必要な最も効率的な空気圧は、空気圧＝０．０００３×（酸素圧）３−（０．０１１４１×（酸素圧）２）＋（２．２６３×（酸素圧）２＋２．５１７５という等式によって与えられることが見出された。この曲線が使用されると、統計的に、曲線を作る際に使用される実際の点からの曲線の変動はほぼ０．９９５であり、又は無限小に近いことがわかった。曲線を構成する際に使用される実際の点を、小さい正方形で示す。５５ｂａｒ（ａ）を上回る各正方形は、特定の酸素圧における空気に対して計算された最小の電力であり、米国ニュージャージー州モリスタウンのＨｏｎｅｙｗｅｌｌ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｃ．によって提供されるＵＮＳＩＭ  ＤＥＳＩＧＮというコンピュータ・プログラムを使用して各点の周りで一連のシミュレーションを行うことによって決定された。５５ｂａｒ（ａ）を下回る点は、空気分離プラント内で使用される実際の最適化された点であった。
【００３３】
図２を参照すると、超臨界圧の酸素生成物を作るために使用される空気分離プラント１の概略図を示す。空気分離プラント１は、酸素生成物及び窒素生成物を作るために使用される空気膨張式の２重塔プラントであるが、本発明は、液体酸素生成物を生成し、次いで超臨界圧までポンプで汲み上げる任意の空気分離プラントに適用できる。この点に関して、空気分離プラントによって、約９０体積パーセントの非常に低い純度から９９体積パーセントを上回る高い純度の範囲の純度で酸素を生成できるが、図１に示された結果は、約９０パーセント以上の酸素純度に関して、測定可能な程度の影響は受けない。さらに、上記のように、本発明は、ポンプで汲み上げられた液体酸素を加熱する過程において、任意の空気の圧縮に等しく適用できる。たとえば、空気分離プラント１の代わりに、液体酸素を収容するタンクから液体酸素流を得ることもできる。その液体酸素流は、次にポンプで汲み上げられて熱交換器内で加熱される。その熱交換器では、圧縮空気が熱伝達媒体である。
【００３４】
空気分離プラント１では、空気流１０が圧縮器１２によって圧縮されて、圧縮空気流１４が生成される。次いで圧縮空気流１４が給気冷却器１６を通されて圧縮の熱が除去され、圧縮空気流１４が予備精製ユニット１８内へ導入される。予備精製ユニット１８は、二酸化炭素、水蒸気、及び場合によっては可燃性炭化水素など、空気中のより高沸点の汚染物質を除去する。その結果得られる圧縮及び精製された空気流２０は、次いで、第１の副流２２、第２の副流２４、及び第３の副流２６に分割される。
【００３５】
第１の副流２２は、熱交換器２８内で整流に適した温度まで完全に冷却され、次いで空気分離ユニット３０へ渡される。空気分離ユニット３０は、低圧蒸留塔に熱的につながれた高圧蒸留塔から構成されており、空気を分離して、低圧塔の基部から引き出された酸素を多く含んでいる液体流３２と、高圧塔の上部から引き出された窒素を多く含んでいる蒸気流３４とにすることができる。窒素を多く含んでいる蒸気流３４は、熱交換器２８内で周囲温度まで完全に温め、次いで生成物圧縮器３６内で圧縮して、窒素生成物流３８を生成することができる。不純物の混じった窒素流４０は、低圧塔において、窒素を多く含んでいる蒸気流より下から引き出し、次いで第１の部分４２と第２の部分４４に分割することができる。第１の部分４２は熱交換器２８内で完全に温められ、第１の部分４２の一部４４は、予備精製ユニット１８内に吸着剤ベッドを再生する際に使用され、一部４６は廃棄流として排出される。
【００３６】
圧縮空気流２０の第２の部分２４は、昇圧圧縮器４８によって圧縮され、給気冷却器５０内で圧縮の熱が除去された後、熱交換器２８の高温端と低温端の間の温度まで部分的に冷却され、ターボエキスパンダ５２内に導入されて排気流５４が生成される。排気流５４は、低圧塔内に導入されて、空気分離プラント１内を冷却することができる。図示のように、圧縮器４８にはターボエキスパンダ５２が結合され、膨張の作用によって圧縮器４８を駆動させる。排気流５４を高圧塔内へ導入して、冷却することも可能である。窒素又は廃棄物の膨張も可能である。
【００３７】
圧縮空気流２０の第３の部分２６は昇圧圧縮器５６内へ導入され、給気冷却器５８内で圧縮の熱が除去された後、圧縮空気流５９が形成される。圧縮空気流５９は、熱交換器６０内で完全に冷却され、液体流６２になる。圧縮空気流５９は、ポンプで汲み上げられた液体酸素流６４を加熱する際に使用される圧縮流である。液体酸素流６４は、ポンプ６６内で酸素を多く含んでいる液体流３２を汲み上げ、それによって酸素生成物流６８を生成することによって形成される。ポンプで汲み上げられた液体酸素流６４は、約５５ｂａｒ（ａ）を上回る圧力を有する。５５ｂａｒ（ａ）は臨界圧力を上回る。したがって、ポンプで汲み上げられた液体酸素流６４を完全に温めたとき、その結果得られる周囲温度の酸素生成物流は、超臨界流体である。熱交換器２８及び６０の代わりに、一般的な熱交換器を使用できることに留意されたい。そのような熱交換器は、図１に提示したデータに基づいて計算される最適の空気圧に影響を与えない。
【００３８】
図示しないが、液体流６４は、追加の冷却を生じさせるように液体膨張器内で膨張し、又は塔内へ液体を導入できるように膨張弁内で膨張する。膨張後、その結果得られる液体は、２つの部分に分割されて、高圧塔及び低圧塔の中間位置へ導入されることができる。廃棄流４０の第２の部分４４は、熱交換器６０内で完全に温められ、別の廃棄流７０として排出される。当業者には知られているように、廃棄蒸気４０の第２の部分４４は、熱交換器２８及び６０を熱的に平衡させるために使用される。その結果、より低圧の熱交換器２８を出る流れとより高圧の熱交換器６８を出る流れの高温端の温度差によって、そのような熱交換器による高温端の冷却損失が抑制され、また、高圧熱交換器６０及び低圧熱交換器２８の低温端において、液体流６２と圧縮及び精製された空気流２０の第１の部分２２との温度差が低減される。このようにして、より高圧の熱交換器６０の低温端において、液体流６０とポンプで汲み上げられた液体酸素流６４の温度差を最適化することができる。昇圧された空気は、そのような熱交換器内で液化され、その後、少なくともより低圧の塔内だけでなく、場合によってはより高圧の塔内へ導入するために膨張させられなければならないという点を考慮すると、より高圧の熱交換器６０の低温端において温度差を低減させると有利である。この流れの温度が温かすぎる場合、膨張中に、昇圧された空気から蒸気が発生し、所望の生成物を生成するのに必要な空気の蒸留に悪影響を与える。
【００３９】
本発明を実施する際、圧縮空気流５９は、熱交換器６０に入るとき、ポンプで汲み上げられた液体酸素流６４の特定の圧力に対して、図１に示すように求められた圧力を有する。しかし、特定の状況では、図１で求められた圧力を上回るか下回るかにかかわらず、圧縮及び精製された空気流２０の第２の部分２６を圧縮する必要がある可能性もある。たとえば、より多くの液体が必要な場合、液体膨張器内により多くの冷却を生じさせるために、図１で求められた圧力を上回る圧力で圧縮空気流５９を生成する必要がある。同様に、状況によっては、図１で求められた値を下回る圧力で圧縮空気流５９を形成することが望ましいことがある。図示の実施例では、熱交換器２８より高圧で動作させることが可能な熱交換器６０に対して特有の熱交換器設計をすることは、より費用がかかる。熱交換器６０をより低圧で動作させることによって、コストを節約することができる。これら２つの状況のどちらにおいても、昇圧圧縮器５６に関する効率は損なわれる。より高圧にすると、ポンプで汲み上げられた液体酸素流６４を温めるのに必要な量よりも多くのエネルギーが消費される。より低圧にすると、圧縮及び精製された空気流２０の第２の部分２６の流量を増大させなければならない。その結果、昇圧圧縮器５６へ動力を供給する際により多くのエネルギーが消費される。しかし、これには事実上の限界が存在する。酸素生成物流の圧縮に関連する電力が効率的な状態よりも約１パーセントを超えて悪化した状態で動作させることは望まれない。図１の実線から求められるような圧縮空気流５０に対して、下は１０パーセントを下回らない値から２０パーセントまでの範囲の空気圧で行われる動作は、一様に、１パーセントの効率差分内にうまく収まることがわかった。図１において、実線より上に位置付けられた破線は、約２０パーセントを上回る圧力を表し、実線より下に位置付けられた破線は、実線から導出される空気圧を約１０パーセント下回る圧力を表す。
【００４０】
図１に示す曲線上で正確に動作しないのには、さらなる理由がある。たとえば、熱交換器６０などの大部分の熱交換器は、垂直方向に向けられている。したがって、そのような熱交換器内で酸素が上昇するにつれて圧力損失が生じ、熱交換器の底部で液化された空気に対する液体熱の利得が生じる。さらに、効率は、昇圧圧縮器５６の効率であり、必ずしも空気分離プラント全体の効率ではない。上記の通り、入ってくる空気のほぼ３０パーセントが、圧縮器５６へ送られる。冷却を生じさせる目的で昇圧圧縮器４８へ送られる空気の量とバランスをとることによって正確な量を求めることができる。たとえば、熱交換器６０がより小型の設計を取り入れる場合、高温端の温度差はより大きくなり、さらなる量の冷却を生じさせる必要がある。しかし同時に、より小型の熱交換器を設置する方が、より大きな熱交換器を設置するよりも費用がかからない。したがって、そのような状況下において、昇圧圧縮器５６への流量が少ないと仮定すると、昇圧圧縮器５６について選択される圧力は、図１に示す曲線によって予測される圧力より高い可能性がある。
【００４１】
図２に示す空気分離プラントの特徴を有する空気分離プラントを、ＵＮＩＳＩＭ  ＤＥＳＩＧＮというコンピュータ・プログラムを使用して一連の酸素圧でシミュレートし、各酸素圧に対して最小単位電力をもたらす空気圧を見出した。以下に示す表１は、圧力が１００ｂａｒ（ａ）までポンプで汲み上げられ、流量が５３２６ｋｃｆｈの液体酸素流６４に対する計算を示す。図示のように、昇圧圧縮器５６についての最小単位電力は、１３８ｂａｒ（ａ）（２０００ｐｓｉａ）で発生した。
【００４２】
【表１】
2012517576.tif 000003
【００４３】
表２は、表１に示す基本の場合からＵＡが約２０パーセント変動したときに圧力に与える影響を示す。この場合も、昇圧圧縮器５６に対する最小単位電力は、１３８ｂａｒ（ａ）（２０００ｐｓｉａ）において生じることが見出された。
【００４４】
【表２】
2012517576.tif 000004
【００４５】
明らかなように、他のすべての係数を一定にすると、熱交換器をより大きく又は小さくすることによってＵＡを変動させることは、最適の圧力に影響を与えない。影響を受けるのは、ピンチ、高温端温度差、及び昇圧圧縮器５６に対する単位電力である。たとえば、基本の場合より２０パーセント小さいＵＡの場合、ピンチは２．２２５になり、高温端温度差は４．３９１まで上昇する。単位電力は、１８．８１まで増大した。より大きい熱交換器の場合は予期されるように、ピンチ及び高温端温度差は単位電力とともに低減した。しかし、そのような低減は、より大きい熱交換器を製作するという犠牲を伴う。これらの結果は、流量が増減するとＵＡがより大きく又はより小さくなるが、それでもなお、特定の酸素圧に対して図１で見出された最適の圧力は変動しないという点で、一般化することができる。
【００４６】
本発明を実施する際には、図１に従って、酸素圧によって空気圧が定まる。この圧力が決定されると、熱交換器の資本コストのバランスをとりながら、空気を圧縮するための全体的な電力需要を下げるような効率的な高温端温度差を実現する熱交換器が設計される。プレートフィン熱交換器などを使用することが好ましいが、従来技術の螺旋状熱交換器などの他の設計を図１に関連して使用することもできる。しかし、本発明の熱交換器の一つにおいては、アルミニウム製蝋付けプレートフィン熱交換器が使用される。アルミニウム製蝋付けプレートフィン熱交換器では、まっすぐなフィン構造を組み込む従来技術の高圧設計とは異なり、流路の長さを増大させて乱流を生成し、流れを混合させ、それによって効率的な熱交換器設計を行うための起伏するフィン構造が提供される。そのようなフィンを使用することで、流路の長さを延長（熱伝達表面をより大きく）して、流れ方向の周期的な変化及び隣接するフィン表面上への流れの衝突の結果、境界層を破断することによって、熱伝達が高められる。そのような影響の強度は、フィンのピッチ「Ｐ」、波長「Ｌ」、振幅「Ａ」、及びフィン厚さ「Ｔ」に依存する。振幅「Ａ」がフィンのピッチ「Ｐ」より小さいとき、チャネル流路の長さは増大されず、単に粗面化される。これによって熱伝達を幾分高めるが、振幅「Ａ」がピッチ「Ｐ」より大きいときほどには高まらない。
【００４７】
そのような設計は、上記で概説したように、熱交換器６０の実際の実施例に組み込まれることが好ましく、それを図３及び図４に示す。熱交換器６０は、アルミニウム製蝋付けフィン熱交換器の形式である。そのような熱交換器は、酸素生成物流６８の形で酸素を温めるための少なくとも一連の酸素通路７２と、圧縮空気流を完全に冷却して２相流６２にするための空気通路７４と、熱平衡の目的で窒素廃棄流４０の一部４４を通すための窒素平衡通路７６とを有する。通路はそれぞれ、分割シート７８間に形成され、端部において、図示しない端部ブロックによって、ブロック８０及び８２によって両側で封止される。そのような熱交換器の上部及び底部は、上部キャップ・シート８４及び底部キャップ・シート８６によって封止される。しかし、図４は概略図であり、実際の設置では、図示したものよりさらに多くの通路が存在することを理解されたい。
【００４８】
圧縮空気流５９及びポンプで汲み上げられた液体酸素流６４は、入口ヘッダ８８及び９０によって酸素通路７２及び空気通路７４内へ導入され、酸素生成物流６８及び液体流６２は、出口ヘッダ９２及び９４によって酸素通路７２及び空気通路７４から排出される。同様に、窒素廃棄流４０の一部４４は、入口ヘッダ９６及び出口ヘッダ９８を通って、それぞれ窒素通路７６内へ導入され、廃棄流７０として排出される。そのような構造はすべて従来のものであり、当技術分野では周知である。
【００４９】
通路内には、フィン１００がある。フィン１００は、熱交換器７８の構造上の完全性を維持し、熱伝達が発生するためのより大きい表面積を提供する働きをする。流体は、フィン１００間に位置する通路１０１内を通る。従来技術では、そのようなフィンは、押出し成形されたまっすぐな部分である。しかし、本発明によれば、図５及び図６により具体的に示すように、フィン１００は、起伏する構成を有し、通路を通る流れに流れ分離を与え、したがってより大きい熱伝達係数を与える。上記で論じたように、起伏するフィン１００を通過する流れの速度は、流れ分離をもたらされるように選択される。流れ分離は、層流と乱流との間の遷移の範囲内、又は乱流とすることができる。この流れは、少なくとも空気流であるが、場合によってはそのようなフィン設計が酸素通路にも使用される場合、酸素流である。この点に関して、速度は、熱交換器の高温端温度と低温端温度の間の中間部の温度で定義されるレイノルズ数が約４００より大きくなるように選択される。そのようなレイノルズ数は少なくとも、遷移領域内に流れをもたらす。レイノルズ数は、平均速度、水力直径、及び流体密度の積と流体の動粘性の比であるため、必要な速度の計算は、そのような関係からの簡単な計算である。この起伏する構成は、弧状構成の山１０６及び谷１０８を形成するフィン１００それぞれの長さ寸法１０４に沿って、規則的な隔置された最大振幅点を有する。弧状構成の目的は、山及び谷が鋭利な点であった場合、過度の乱流によって普通ならもたらされる圧力降下損失をなくすことである。まっすぐな区間１１０で、山１０６と谷１０８を接続する。
【００５０】
上記の議論によれば、フィン１００は、隣接するフィン１００間で測定されるピッチ寸法「Ｐ」より大きい最大振幅「Ａ」を有する。構造上の完全性を維持するために、フィンは、熱交換器を形成する材料に対する降伏応力にほぼ等しい許容できる引張り応力に約０．５以下であり好ましくは約０．１５以上である安全率を掛けた値で圧縮空気流５９の空気圧を割った値に等しい係数を約０．４に掛けた値より大きいピッチ寸法「Ｐ」に等しい横方向の厚さを有する。通常、０．２５の安全率が使用される。フィン１００それぞれの事実上の波長「Ｌ」は、約０．３１７５ｃｍ（０．１２５インチ）以上であり約３．８１ｃｍ（１．５インチ）以下の波長範囲内である。図では、フィンはすべて同一設計のものであることに留意されたい。しかし、ポンプで汲み上げられた酸素流６４の酸素圧が約８０ｂａｒ（ａ）未満である場合、酸素通路７２内のフィン１００は、空気通路７４内の圧縮空気流５９によって引き起こされるのと同じ程度の応力を受けないという点から、より薄くすることができる。図示しないが、穿孔された材料を用いてフィン１００を形成することも可能である。穿孔は、追加の乱流を提供するが、構造上の強度を幾分損失するという犠牲を伴う。圧縮空気及び酸素に使用されるフィンが同じ厚さ、ピッチ振幅などであるとき、酸素層には穿孔版のフィンを使用すると有利である。
【００５１】
熱交換器６０は、約１００ｂａｒ（ａ）の圧力までポンプで汲み上げられた酸素を加熱すること、そして約１３８ｂａｒ（ａ）の圧力を有する空気流を使用することが可能な熱交換器である。図１に関して論じた役割で使用されるときの熱交換器６０内で使用されるフィン設計の一例として、そのような熱交換器は、約０．０９６５２ｃｍ（０．０３８”）のピッチ「Ｐ」及び０．０４０６４ｃｍ（０．０１６”）の厚さ「Ｔ」を有するフィンを組み込むことができる。フィン高さ「Ｈ」は、約０．２５４ｃｍ（０．１”）〜１．０１６ｃｍ（約０．４”）の範囲内である。熱交換器を構築するためにＡＬＬＯＹ３００３のアルミニウムが使用されたものとすると、許容できる最大引張り応力は、２４×１０６Ｐａになる。これは、最終引張り応力（ＵＴＳ）に０．２５の安全率を掛けた値である。明らかなように、フィンの厚さとピッチの比は、０．４２に等しい。０．０５０８ｃｍ（０．０２０）のフィン厚さが使用された場合、対応するピッチは、０．１２７ｃｍ（０．０５”）（２．５４ｃｍ（１インチ）あたり２０フィン）とする必要がある。しかし、好ましい形態は、約０．４２より大きい厚さとピッチの比を維持するために、より小さいピッチ及び対応する厚さを使用することである。これは、より大きいピッチの場合に表面積がより大きくなるためである。同じフィン設計は、熱交換器６０の場合、空気通路７４と酸素通路７２の両方に使用することができる。次いで熱交換器、たとえば熱交換器６０は、層の数、層の構成、及びそれぞれの層内の流れ面積に関して、当業者には周知の形で設計される。
【００５２】
本発明について、好ましい実施例を参照して説明したが、当業者には想到されるように、添付の特許請求の範囲に記載の本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、そのような実施例には多数の追加、省略、及び変更を加えることができる。
【図１】
2012517576.tif 000005
【図２】
2012517576.tif 000006
【図３】
2012517576.tif 000007
【図４】
2012517576.tif 000008
【図５】
2012517576.tif 000009
【図６】
2012517576.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成23年10月4日(2011.10.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素生成物を生成する方法であって、
約９０体積パーセント以上の純度を有する液体酸素流をポンプで汲み上げて、ポンプで汲み上げられた液体酸素流を生成するステップと、
熱交換器内で少なくとも圧縮空気流との間接的な熱交換によって前記ポンプで汲み上げられた液体酸素流を加熱して、前記酸素生成物を生成するステップとを含み、
前記ポンプで汲み上げられた液体酸素流が、前記熱交換器に入るとき、約５５ｂａｒ（ａ）を上回り約１５０ｂａｒ（ａ）以下の範囲内の酸素圧までポンプで汲み上げることによって加圧されており、前記ポンプで汲み上げられた液体酸素流が、前記熱交換器内で、前記酸素生成物が超臨界流体になる温度まで加熱され、前記空気が、ある空気圧まで圧縮され、前記熱交換器に入るとき、前記空気圧＝０．００００３×（酸素圧）３−（０．０１１４１×（酸素圧）２）＋２．２６３×（酸素圧）＋２．５１７５という等式によって与えられる値にほぼ等しい空気圧となっている、方法。
【請求項２】
酸素生成物を生成する方法であって、
空気分離プラント内において約９０体積パーセント以上の純度で生成された液体酸素流をポンプで汲み上げ、それによってポンプで汲み上げられた液体酸素流を生成するステップと、
前記空気分離プラントの熱交換器内で少なくとも圧縮空気流との間接的な熱交換によって前記ポンプで汲み上げられた液体酸素流を加熱して、前記酸素生成物を生成するステップとを含み、
前記ポンプで汲み上げられた液体酸素流が、前記熱交換器に入るとき、約５５ｂａｒ（ａ）を上回り約１５０ｂａｒ（ａ）以下の範囲内の酸素圧まで加圧されており、前記ポンプで汲み上げられた液体酸素流が、前記熱交換器内で、前記酸素生成物が超臨界流体になる温度まで加熱され、前記空気が、ある空気圧まで圧縮され、前記熱交換器に入るとき、０．００００３×（酸素圧）３−（０．０１１４１×（酸素圧）２）＋２．２６３×（酸素圧）＋２．５１７５に等しい数量を約１０パーセント下回る値から約２０パーセントまでの範囲内の値に等しい空気圧となっている、方法。
【請求項３】
前記酸素圧が、前記空気分離プラントのターンダウン動作状態中の前記酸素圧で維持される、請求項２に記載された方法。
【請求項４】
前記ポンプで汲み上げられた液体酸素流及び前記空気が、前記空気のための空気通路及び前記ポンプで汲み上げられた液体酸素流のための酸素通路を少なくとも形成するようにフィンによって分離されて前記フィンに接続された分割シートを含むプレートフィン熱交換器内の通路を向流方向に通過し、
少なくとも前記空気通路内の前記フィンが、起伏する構成を有し、
前記空気が、前記フィンの前記起伏する構成により流れ分離を引き起こすのに十分な速度で前記空気通路を通過する、
請求項１又は請求項２に記載された方法。
【請求項５】
前記起伏する構成が、弧状構成の山及び谷を形成する前記フィンそれぞれの長さ寸法に沿って規則的な隔置された最大振幅点を有し、前記山及び前記谷が、フィンそれぞれのまっすぐな区間によって接続される、請求項４に記載された方法。
【請求項６】
前記酸素圧が少なくとも約８０ｂａｒ（ａ）であり、前記空気通路及び前記酸素通路が同一の構成を有する、請求項４に記載された方法。
【請求項７】
前記フィンの波長が、約０．３１７５ｃｍ（０．１２５インチ）以上であり約３．８１ｃｍ（１．５インチ）以下の波長範囲内である、請求項５に記載された方法。
【請求項８】
前記フィンが、隣接するフィン間で測定されるピッチ寸法より大きい最大振幅を有し、
前記フィンが、前記熱交換器を形成する材料に対する降伏応力にほぼ等しい許容できる引張り応力に約０．１５以上であり約０．５以下である安全率を掛けた値で前記空気圧を割った値に等しい係数を約０．４に掛けた値より大きい前記ピッチ寸法に等しい横方向の厚さを有する、
請求項７に記載された方法。
【請求項９】
前記熱交換器がアルミニウム製蝋付け構造である、請求項８に記載された方法。
【手続補正２】
【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】
本発明は、ポンプで汲み上げられた液体酸素流を、熱交換器内で圧縮空気との間接的な熱交換により加熱することによって、超臨界流体として酸素生成物を生成する方法、並びに空気分離プラント及び熱交換器を含む装置に関する。より詳細には、本発明は、ポンプで汲み上げられた液体酸素流を加熱するために熱交換器内で利用される空気圧が酸素圧に応じて選択され、その結果、圧縮エネルギーの消費が最小になり、又は最小に非常に近接する方法及び装置に関する。さらに詳細には、本発明は、熱交換器がプレートフィン熱交換器である方法及び装置並びに空気分離プラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
非常に高圧で酸素を供給することが可能であり、酸素が超臨界流体、すなわち蒸気、固体、又は液体のいずれでもなく、超臨界点を上回る温度及び圧力を有する高密度の流体として存在するシステムが、ますます必要とされている。酸素の場合、この温度及び圧力は
、１５４．７８Ｋ及び５０．８３ｂａｒ（ａ）を上回る。
【０００３】
こうしてますます必要とされている１つの理由は、ガス化の適用分野が成長していることにある。ガス化とは、環境に優しい技術であり、石炭若しくは他の比較的低い値の供給原料を利用して、これらを高い値の生成物に変換することができ、又は別法として、ガス化装置内で供給原料をガス化して水素及び一酸化炭素含有流にすることによって、クリーンな電力源をもたらすことができる。これらのガス化装置は通常、高圧の酸素を必要とし、酸素は超臨界流体として供給される。一般に、多くの異なるタイプのガス化装置が存在するが、低品位炭素を含有する材料は、酸素の存在下で、水素及び一酸化炭素含有流に変換され、これをさらに処理して、発電の際に燃料として、及び／若しくは水素源として使用することができ、又はさらに処理して、化学物質、化学肥料、若しくは液体燃料などの貴重な生成物を生成することができる。さらに、そのような処理では蒸気が生成され、この蒸気をさらに使用して、発電機を駆動することができる。
【０００４】
そのような酸素は、液体酸素を蒸発させ、次いで酸素を圧縮して加圧することによって供給できるが、液体酸素は、高圧までポンプで汲み上げ、次いで臨界温度まで加熱することができる。臨界温度では、その結果得られる酸素生成物は超臨界流体として存在する。通常、ポンプで汲み上げる動作は極低温空気分離プラント内に組み込まれるが、ポンプで汲み上げる動作をそのようなプラントとは独立して行うことも可能である。圧力をかけて酸素を生成する際に使用される極低温空気分離プラントでは、空気が圧縮され、精製され、次いで蒸留塔システム内の整流に適した温度に冷却される。
【０００５】
空気の整流には異なる蒸留塔システムが存在するが、一般的なシステムは、凝縮器リボイラを用いて熱的につながれた高圧塔と低圧塔という２つの塔を含む。空気は、露点又はその付近まで冷却された後、次いで高圧塔内へ導入され、そこで空気から窒素が分離され、塔頂には窒素が多く含まれ、塔底には精製してない液体酸素がたまる。塔底の精製してない液体酸素は、低圧塔内でさらに精製され、塔底には酸素を多く含んでいる液体がたまり、塔頂には窒素が多く含まれる。高圧塔内で精製された塔頂に多く含まれる窒素のすべて又は一部は凝縮され、それに対して低圧塔の塔底の酸素を多く含んでいる液体は沸騰され、高圧塔と低圧塔の両方に還流をもたらす。
【０００６】
低圧塔内の残りの酸素を多く含んでいる液体から引き出された液体酸素は、ポンプで汲み上げて加圧され、次いで１つ若しくは複数の生成物流に対して空気を冷却する際に使用される多重流の主熱交換器内で加熱され、又は酸素の加熱専用の別個の熱交換器内で加熱される。どちらの場合も、整流すべき空気の一部は、昇圧圧縮器内でさらに圧縮され、次いで酸素を加熱し、次いで高圧酸素を必要とするガス化装置又は他のプロセス内で使用できる高圧の酸素生成物を生成するために使用される。
【０００７】
この議論から理解できるように、酸素を生成する際に使用される原材料は、第１の場合に空気を圧縮し、その空気をさらに圧縮して、ポンプで汲み上げられた酸素を蒸発させるためのエネルギーを生成するために引き出される電力、又は消費される蒸気、又は燃やされる燃料である。この点に関して、極低温整流が極低温の温度で行われ、また熱漏れ、貯蔵、予備、又は商業用の液体販売のためにプラントから除去される液体生成物、及び高温端損失による熱損失が存在するため、冷却を行わなければならない。これは一般的に、分離すべき空気の一部をさらに圧縮し、次いでこの空気をターボエキスパンダ内で膨張させて膨張の仕事量を除去することによって実現される。その結果生じる排気は、次いで蒸留塔システム内へ導入される。空気分離プラント内に冷却を生じさせるための他の知られているプロセスも存在する。冷却を行うことは、プラントのさらなるエネルギー要件である。
【０００８】
酸素が超臨界流体として存在する圧力を上回る超臨界圧で、また酸素の物理的状態を超臨界流体と定める温度で酸素を生成するには、酸素の生成を経済的に魅力的なものにするために、空気を圧縮する際に消費されるエネルギーを最小又は最小付近にしなければならない。Ｗ．Ｆ．Ｃａｓｔｌｅによる８９  ＡＩＣｈＥ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  Ｓｅｒｉｅｓ  ２９４、「Ｍｏｄｅｒｎ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｕｍｐ  Ｏｘｙｇｅｎ  Ｐｌａｎｔｓ：Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ  ａｎｄ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ」、Ｎｏ．２９４、ＢＯＣ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｐｌａｎｔｓ、１４頁では、経験則から、空気の圧力は必要な酸素圧の約２．３倍にしなければならないと述べている。ある範囲の酸素圧にわたってシミュレーションを行い、５℃という高温端温度差及び約１．５℃という加熱曲線と冷却曲線の接近又はピンチで動作させた熱交換器内で、圧縮空気によって酸素を蒸発させた。結果は、グラフ形式で提示された。グラフに示された曲線では、４０ｂａｒを上回る酸素圧で、必要な空気圧が酸素圧のほぼ２倍になる関係から、曲線は平坦になった。しかし同論文では、そのような曲線はプラントの最善の電力消費に対する最適の条件を表すわけではなく、そのような最適の条件について同論文中には提示しないと述べている。また、１００ｂａｒを下回る空気圧に対する熱交換器は、従来のアルミニウム製蝋付けプレートフィン熱交換器とすることができるとも述べている。しかし、より高圧では、より高価なコイル状熱交換器を使用しなければならない。
【０００９】
また、米国特許第６，４３０，９６２号は、酸素を超臨界流体として生成することについて考慮している。この特許では、空気分離プラントの低圧塔内で生成される酸素は、超臨界圧までポンプで汲み上げられ、次いでアルミニウム製蝋付けプレートフィン熱交換器内で蒸発される。熱交換器の高温端で酸素と空気の間の温度差が狭くなればなるほど、熱交換器内の熱応力はより低くなると述べている。２つの場合が比較され、一方は、５．０４３Ｍｐａという酸素の臨界圧力より０．６１Ｍｐａ低く、他方は、この臨界圧力をはるかに上回り、８．１４Ｍｐａという圧力であった。この比較から、臨界未満の圧力では、高温端温度差は４０℃と大きく、高圧では、高温端温度差は１２℃であることが明らかになった。こうして温度差をより小さくすることで、熱交換器内の熱応力を低減させ、そのような適用分野でのアルミニウム製蝋付けプレートフィン熱交換器の使用を可能にする。しかし、この特許では、空気を圧縮する際に使用される電力に対するプラントの最も効率的な動作に関して何も言及していない。さらに、熱交換器自体の設計に関する詳細は与えられていない。
【００１０】
米国特許第７，２１９，７１９号では、１００ｂａｒを上回る酸素圧で使用するように設計されたアルミニウム製蝋付けプレートフィン熱交換器設計が開示されている。この特許では、高圧チャネル内で、そのような高圧に耐えるのに十分な厚さを有するまっすぐな押出し成形フィンが使用される。平均フィン厚さと、幾何学的ピッチ、又は隣接するフィン間の間隔との比は、０．２より大きく０．８より小さいことが好ましいと述べている。しかし、論じるように、そのような設計では、空気流とポンプで汲み上げられた酸素流の間で必要な熱交換を実現するのに必要な寸法の割には、熱交換器は効率がよくない。米国特許第６，９５１，２４５号は、まっすぐなフィンを用いる別のアルミニウム製蝋付けプレートフィン熱交換器を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第６，４３０，９６２号
【特許文献２】米国特許第７，２１９，７１９号
【特許文献３】米国特許第６，９５１，２４５号
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｗ．Ｆ．Ｃａｓｔｌｅによる８９  ＡＩＣｈＥ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  Ｓｅｒｉｅｓ  ２９４、「Ｍｏｄｅｒｎ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｕｍｐ  Ｏｘｙｇｅｎ  Ｐｌａｎｔｓ：Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ  ａｎｄ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ」、Ｎｏ．２９４、ＢＯＣ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｐｌａｎｔｓ、１４頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
論じるように、他の利点の中でも、本発明は、超臨界圧空気を使用してポンプで汲み上げられた液体酸素流を加熱することを含む、酸素生成物を超臨界流体として生成する方法を提供し、この方法では、空気圧縮器によって消費される電力を最小にすることができ、また従来技術で開示されているものより効率的なフィン設計を組み込む熱交換器設計とともに使用できる関係が明らかになった。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
一態様では、本発明は、酸素生成物を生成する方法を提供し、この方法では、約９０体積パーセント以上の純度を有する液体酸素流をポンプで汲み上げて、ポンプで汲み上げられた液体酸素流を生成する。ポンプで汲み上げられた液体酸素流は、熱交換器内で少なくとも圧縮空気流との間接的な熱交換によって加熱され、酸素生成物を生成する。この点に関して、本明細書及び特許請求の範囲においてこの文脈で使用される「少なくとも」という用語は、唯一の加熱流が空気流であるバンク式熱交換プロセス、又は別法として、他の流れも存在しうる熱交換器を包含するものとする。他の流れは、ターボエキスパンダ内へ渡して空気分離プラント内で冷却を生じさせるための主な空気流及び昇圧流など、はるかに小さい程度ではあるが、加熱機能を果たす。ポンプで汲み上げられた液体酸素流は、熱交換器に入るとき、約５５ｂａｒ（ａ）を上回り約１５０ｂａｒ（ａ）以下の範囲内の酸素圧まで加圧されており、熱交換器内で、酸素生成物が超臨界流体になる温度まで加熱される。本明細書及び特許請求の範囲では、「温度」とは、酸素の超臨界温度以上の任意の温度であり、１５４．７８Ｋ以上である。圧縮空気流は、熱交換器に入るとき、空気圧＝０．００００３×（酸素圧）３−（０．０１１４１×（酸素圧）２）＋２．２６３×（酸素圧）＋２．５１７５という等式によって与えられる値にほぼ等しい空気圧まで圧縮されている。
【００１５】
論じるように、上記の等式に従って空気流が空気圧に圧縮されたとき、圧縮のエネルギーは常に、所与の熱交換器デューティーで最小になり、又は最小に非常に近接する。そのような熱交換器を単独で使用して、液体源からの加圧した酸素を送達することができるが、この熱交換器を空気分離プラント内に組み込むこともできることにも留意されたい。そのような場合、空気圧は、同じく論じる理由のため、必ずしも最小ではないが、上記の等式から求められた数量を約１０パーセント下回る値以上であり約２０パーセント上回る範囲内の値に等しくすることができる。この点に関して、酸素圧は、空気分離プラントのターンダウン動作状態中の酸素圧で維持することができる。
【００１６】
上記で論じた従来技術に対して、Ｃａｓｔｌｅで図示されるように、意味のある利益は、約５５ｂａｒ（ａ）を上回る酸素圧で導出されることにさらに留意されたい。この理由は、より低い酸素圧では、上記の等式によって与えられる酸素を蒸発させるのに必要な空気圧が、そのような従来技術で企図される空気圧の１０ｂａｒ以下の範囲内になるためである。しかし本発明者らは、そのような１０ｂａｒの差とは、そのような等式の範囲内で動作する単位電力の改善が、生成される酸素１０００ｃｆｈ当たり最大約０．０８ｋＷになることに対応し、これは、空気分離プラント内で使用される昇圧空気圧縮器内で消費される電力の約１パーセントの低減につながると計算した。これは、空気分離プラント内の全体的な電力消費の２分の１パーセント未満の低減になる。当業者には理解されるように、少なくとも財務上の観点から、電力のコストを考えると、これは意味のある動作の改善ではない。しかし、上記の等式から導出される空気圧で動作するとき、５５ｂａｒ（ａ）
を上回る酸素圧では、はるかに意味のある単位電力の改善を得ることができ、改善は、酸素圧が増大するにつれてより大きくなる。たとえば８０ｂａｒ（ａ）の酸素では、昇圧空気圧縮器の電力消費の改善は約４パーセントになり、したがって空気分離プラントの全体的な電力消費の改善は約２パーセントになる。この範囲の上端、１５０ｂａｒ（ａ）の酸素では、必要な空気圧に耐えることが可能な熱交換器の動作に関連するリスクがあらゆる電力の利益を上回るため、上記の等式によって与えられるものより高い電力消費ではあるがより低い圧力が使用される。
【００１７】
ポンプで汲み上げられた液体酸素流及び圧縮空気流は、空気のための空気通路及びポンプで汲み上げられた液体酸素流のための酸素通路を少なくとも形成するように波形フィンによって分離されてこれらのフィンに接続された分割シートを含むプレートフィン熱交換器内の通路を向流方向に通過することができる。この点に関して、そのような空気及び酸素通路は、上記のように、酸素の蒸発専用の熱交換器、以下に論じるいわゆる「バンク式」設計、並びに空気及び窒素などの複数の流れのための通路を有するユニットに本発明を等しく適用できるという点から、「少なくとも」形成される。少なくとも空気通路内のフィンは、波状又は起伏する構成を備えることができ、したがってフィンを通る圧縮空気の流路は、同じフィン厚さ及びピッチをもつまっすぐに通った平らなフィン構成より増大し、圧縮空気流は、フィンの起伏する構成により流れ分離を引き起こすのに十分な速度で、起伏するフィンを含む空気通路を通過する。そのような速度は、層流と乱流の間の遷移領域、又は完全に乱流とすることができる。流れ分離により、流れ方向の周期的な変化のために熱境界層を周期的に破断し、その結果、流体から起伏するフィンの表面への熱伝達率を高める。起伏するフィンは、熱交換器内の他の層に熱的に接続される。
【００１８】
別の態様では、本発明は、約９０体積パーセント以上の純度を有する液体酸素流から酸素生成物を生成する装置を提供する。本発明のこの態様によれば、液体酸素流を汲み上げるためにポンプが提供され、それによってポンプで汲み上げられた液体酸素流を生成する。空気を圧縮するために圧縮器が提供され、それによって圧縮空気流を生成し、またポンプ及び圧縮器に熱交換器が接続され、したがってポンプで汲み上げられた液体酸素流は、熱交換器内で少なくとも圧縮空気流との間接的な熱交換によって加熱され、酸素生成物を生成する。この点に関して、本明細書及び特許請求の範囲においてこの文脈で使用される「少なくとも」という用語は、唯一の加熱流が空気流であるバンク式熱交換プロセス、又は別法として、他の流れも存在しうる熱交換器を包含するものとする。他の流れは、ターボエキスパンダ内へ渡して空気分離プラント内で冷却を生じさせるための主な空気流及び昇圧流など、はるかに小さい程度ではあるが、加熱機能を果たす。
【００１９】
ポンプは、液体酸素流を汲み上げるように構成され、したがってポンプで汲み上げられた液体酸素流は、熱交換器に入るとき、約５５ｂａｒ（ａ）を上回り約１５０ｂａｒ（ａ）以下の範囲内の酸素圧まで加圧されている。圧縮器は、空気を圧縮するように構成され、したがって空気は、熱交換器に入るとき、空気圧＝０．００００３×（酸素圧）３−（０．０１１４１×（酸素圧）２）＋２．２６３×（酸素圧）＋２．５１７５という等式によって与えられる値にほぼ等しい空気圧まで圧縮されている。熱交換器は、ポンプで汲み上げられた液体酸素流が、酸素生成物が超臨界流体になる温度まで熱交換器内で加熱されるように構成される。本明細書及び特許請求の範囲では、「温度」とは、酸素の超臨界温度以上の任意の温度であり、１５４．７８Ｋ以上である。
【００２０】
さらに別の態様では、本発明は、酸素生成物を生成する空気分離プラントを提供する。本発明のこの態様によれば、空気を圧縮するために圧縮器が提供され、またこの空気を精製するために圧縮器に予備精製が接続され、それによって圧縮及び精製された空気流を生成する。予備精製ユニットには、昇圧圧縮器が接続される。予備精製ユニット及び昇圧圧縮器には、少なくとも１つの熱交換器が接続されており、圧縮及び精製された空気流の一
部を少なくとも１つの熱交換器内で冷却し、また圧縮及び精製された空気流のさらなる部分を昇圧圧縮器内で圧縮して圧縮空気流を形成し、この圧縮空気流を少なくとも１つの熱交換器内で冷却するように構成される。少なくとも１つの熱交換器には、圧縮及び精製された空気流並びに圧縮空気流のうち冷却した後の部分を受け取るように、空気分離ユニットが接続され、また空気を整流し、それによって約９０体積パーセント以上の酸素純度を有する液体酸素流を生成するように構成される。
【００２１】
空気分離ユニットにはポンプを接続して液体酸素流を汲み上げ、それによってポンプで汲み上げられた液体酸素流を生成する。少なくとも１つの熱交換器は、ポンプと昇圧圧縮器の間に位置決めされ、また少なくとも１つの熱交換器内で少なくとも圧縮空気流との間接的な熱交換によってポンプで汲み上げられた液体酸素流を加熱し、超臨界温度で酸素生成物を生成するように構成される。超臨界温度では、酸素生成物は超臨界流体になり、圧縮空気流は液体になる。ポンプは、液体酸素流を汲み上げるように構成され、したがってポンプで汲み上げられた液体酸素流は、熱交換器に入るとき、約５５ｂａｒ（ａ）を上回り約１５０ｂａｒ（ａ）以下の範囲内の酸素圧まで加圧されている。昇圧圧縮器は、圧縮空気流を圧縮するように構成され、したがって圧縮空気流は、少なくとも１つの熱交換器に入るとき、０．００００３×（酸素圧）３−（０．０１１４１×（酸素圧）２）＋２．２６３×（酸素圧）＋２．５１７５に等しい数量を１０パーセント下回る値以上であり２０パーセント上回る値以下である範囲内の値に等しい空気圧を有する。
【００２２】
少なくとも１つの熱交換器は、第１の熱交換器及び第２の熱交換器とすることができる。第１の熱交換器は、予備精製ユニットと空気分離ユニットの間に位置決めされ、空気流のうち圧縮及び精製された部分を冷却するように構成される。第２の熱交換器は、昇圧圧縮器とポンプの間に位置決めされ、圧縮空気流を冷却するように、そしてポンプで汲み上げられた液体酸素流を温めるように構成される。
【００２３】
本発明のいずれの態様でも、ポンプで汲み上げられた液体酸素流と空気の間の間接的な熱交換は、プレートフィン熱交換器内で行うことができる。この点に関して、本発明のさらなる態様では、圧縮空気流のための空気通路及びポンプで汲み上げられた液体酸素流のための酸素通路を少なくとも形成するようにフィンによって分離されてこれらのフィンに接続された分割シートを含むプレートフィン熱交換器が提供される。この点に関して、そのような空気及び酸素通路は、上記のように、ポンプで汲み上げられた液体酸素の加熱専用の熱交換器に本発明を等しく適用できるという点から、「少なくとも」形成される。たとえば、いわゆる「バンク式」設計において第２の熱交換器が用いられる上記で論じた空気分離プラントでは、熱交換器は、ポンプで汲み上げられた液体酸素流の加熱専用とすることができる。少なくとも空気通路内のフィンは、起伏する構成を有する。理解できるように、そのような熱交換器は、熱交換器に入るとき、約５５ｂａｒ（ａ）を上回り約１５０ｂａｒ（ａ）以下の範囲内のポンプで汲み上げられた液体酸素流の酸素圧に耐え、また熱交換器に入るとき、０．００００３×（酸素圧）３−（０．０１１４１×（酸素圧）２）＋２．２６３×（酸素圧）＋２．５１７５に等しい数量を１０パーセント下回る値以上であり２０パーセント上回る値以下である範囲内の値に等しい圧縮空気流の空気圧に耐えるように構成される。
【００２４】
装置、空気分離プラント、及び熱交換器自体に関する本発明の上記の態様では、少なくとも空気通路内のフィンは、波状又は起伏する構成を備えることができ、したがってフィンを通る圧縮空気の流路は、同じフィン厚さ及びピッチをもつまっすぐに通った平らなフィン構成より増大する。
【００２５】
本発明のいずれかの態様に関連して使用されるいずれの熱交換器でも、起伏する構成は、弧状構成の山及び谷を形成するフィンそれぞれの長さ寸法に沿って、規則的な隔置され
た最大振幅点を有することができることが好ましい。山及び谷は、フィンそれぞれのまっすぐな区間によって接続される。フィンの波長は、約０．３１７５ｃｍ（０．１２５インチ）以上であり約３．８１ｃｍ（１．５インチ）以下である波長範囲にほぼ等しいことが好ましい。酸素圧が少なくとも約８０ｂａｒ（ａ）であるとき、空気通路及び酸素通路は、同一の構成を有することができる。フィンの最大振幅は、隣接するフィン間で測定されるピッチ寸法より大きい。フィンの横方向の厚さとピッチ寸法の比は、熱交換器を形成する材料に対する降伏応力にほぼ等しい許容できる引張り応力に約０．１５以上であり約０．５以下である安全率を掛けた値で空気圧を割った値に等しい係数を約０．４に掛けた値より大きくすることができる。本発明のいずれの態様の熱交換器も、アルミニウム製蝋付け構造とすることができる。
【００２６】
本明細書は、本出願人らが本出願人の発明と考える主題を明確に示す特許請求の範囲に帰結する。本発明は、添付の図面を参照してよりよく理解されると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の好ましい実施例による酸素圧と空気圧の関係を示し、またそのような関係を従来技術で示すものと比較するグラフである。
【図２】酸素生成物がポンプで汲み上げられて蒸発する空気分離プラントの概略図である。
【図３】本発明による熱交換器の図である。
【図４】図３の線３−３に沿って切り取った、図３に示す熱交換器の概略断面図である。
【図５】図３に示す熱交換器内のフィンの構成を示し、そのような熱交換器の一部分を分離した部分平面図である。
【図６】図５の部分立面横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１を参照すると、実線で図示されている曲線は、特定の酸素圧で本発明によるポンプで汲み上げられた液体酸素を加熱するのに必要な空気圧を表し、超臨界流体としてポンプで汲み上げて加熱した結果、酸素生成物を生成する。そのような空気圧が使用されると、特定の酸素圧に対して最小の圧縮力を得ることができる。
【００２９】
当技術分野では周知のように、空気を圧縮する際に消費される動力は、２つの要素、すなわち空気が圧縮される圧力及び空気の流量に関係する。空気圧及び流量は、熱交換器を通過した後、指定の流量及び圧力で加圧液体から超臨界流体へ酸素を加熱するのに十分でなければならない。空気の流量が少なければ少ないほど、酸素の特定の流れ及び圧力に必要な圧力は大きくなり、逆も同様であることは明らかである。所望の目標を実現する圧縮空気流の圧力と流量には多くの組合せが存在するが、加熱される酸素の特定の圧力には特有の空気圧が存在し、加圧された液体酸素流を周囲温度まで加熱する際の熱要件を満たすために空気の流量を変動させるとき、空気圧縮器による電力消費が常に最低になることが、本発明者らによって見出された。この点に関して、計算に使用された実際の周囲温度は２４．４℃（２９７．５５Ｋ）であったが、この周囲温度の実際の値は、図１のグラフに提示した結果も、入ってくる液体酸素の実際の温度も変化させない。入ってくる液体酸素の実際の温度は、約−１７７℃（９６．１５Ｋ）と仮定した。さらに、計算で仮定されたものを含めて、いかなる圧縮システムでも、圧縮の熱は、熱交換器に入る前に、通常水を使用して空気を冷却する給気冷却器によって、周囲温度レベルまで空気から除去される。しかし、流量の場合と同様に、これらの温度はいずれも、図１に提示する結果にいかなる影響も与えない。その代わりに、流量及び入るときの温度などの変数は、空気と酸素の間で間接的な熱交換を行うために使用される熱交換器設計に影響を与える。
【００３０】
空気の必要な流量は、酸素の流量及び使用される特定の熱交換器の設計に依存する。言い換えると、空気の流量は、全体的な熱伝達係数と熱伝達面積（「ＵＡ」）と対数平均温度差の積に依存する。いかなる熱交換器でも、変動は、「ピンチ」として知られている加熱曲線と冷却曲線の最小接近に依存する。ピンチは、最適な場合、１．０Ｋ以上にするべきである。ピンチが狭くなりすぎると、わずかな流れの変動がプロセスに大きな影響を与えるという点で、所望の特定の熱交換を実現するのが困難になる。空気分離プラントの場合、さらなる冷却を追加することなくプラントを自立させるには、別の事実上の制約は、熱交換器の高温端における高温端温度差を事実上約５Ｋ以下にするべきであるということである。ポンプで汲み上げられた液体酸素を蒸発させるのに十分な圧力まで空気を昇圧するために使用される空気圧縮は、空気分離プラントによって消費される電力の約３０パーセントであり、したがってそのような電力は非常に大きいことに留意されたい。結局は、高温端温度差及びピンチは、図１から導出される空気圧に影響を与えない。
【００３１】
図１の別の結果は、曲線１が平滑であること、そして既存の空気分離プラントの実際の最適化された動作圧力に対して検証された圧縮すべき酸素の臨界未満の圧力も包含したことである。これらの低い圧力では、曲線は、従来技術、特に上記で論じたＣａｓｔｌｅの結果にかなり一致する。しかし意外なことに、酸素の超臨界圧では、図１の図示の曲線とＣａｓｔｌｅに示すものに大きな相違がみられる。上記のように、この参照に図示する従来技術の曲線は、熱交換器内では、酸素が低温端における加圧された液体状態から高温端における高密度の超臨界流体へ遷移することを考えれば予期される曲線の形状の変化を示す。本発明者らは、そのような状態の変化が図１に示す最適の電力曲線に影響を与えないことを見出した。特定の動作理論に限定しようとするものではないが、空気を圧縮する圧縮器によって消費される最も効率的な電力とポンプで汲み上げられた液体酸素を温めるのに必要な熱エネルギーとの関係は、単にエネルギーに応じるにすぎず、たとえば物理的状態の変化に関連して考慮すると不連続性が見出されると、本発明者らには考えられている。
【００３２】
本発明を適用できるように本発明を適切に定量化するために、図示の曲線を構成する点は、多項式曲線適合技法によって一般化した。この技法では、圧縮器へ入力される電力の観点から、加圧された液体酸素を蒸発させるのに必要な最も効率的な空気圧は、空気圧＝０．００００３×（酸素圧）３−（０．０１１４１×（酸素圧）２）＋２．２６３×（酸素圧）＋２．５１７５という等式によって与えられることが見出された。この曲線が使用されると、統計的に、曲線を作る際に使用される実際の点からの曲線の変動はほぼ０．９９５であり、又は無限小に近いことがわかった。曲線を構成する際に使用される実際の点を、小さい正方形で示す。５５ｂａｒ（ａ）を上回る各正方形は、特定の酸素圧における空気に対して計算された最小の電力であり、米国ニュージャージー州モリスタウンのＨｏｎｅｙｗｅｌｌ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｃ．によって提供されるＵＮＳＩＭ
ＤＥＳＩＧＮというコンピュータ・プログラムを使用して各点の周りで一連のシミュレーションを行うことによって決定された。５５ｂａｒ（ａ）を下回る点は、空気分離プラント内で使用される実際の最適化された点であった。
【００３３】
図２を参照すると、超臨界圧の酸素生成物を作るために使用される空気分離プラント１の概略図を示す。空気分離プラント１は、酸素生成物及び窒素生成物を作るために使用される空気膨張式の２重塔プラントであるが、本発明は、液体酸素生成物を生成し、次いで超臨界圧までポンプで汲み上げる任意の空気分離プラントに適用できる。この点に関して、空気分離プラントによって、約９０体積パーセントの非常に低い純度から９９体積パーセントを上回る高い純度の範囲の純度で酸素を生成できるが、図１に示された結果は、約９０パーセント以上の酸素純度に関して、測定可能な程度の影響は受けない。さらに、上記のように、本発明は、ポンプで汲み上げられた液体酸素を加熱する過程において、任意の空気の圧縮に等しく適用できる。たとえば、空気分離プラント１の代わりに、液体酸素
を収容するタンクから液体酸素流を得ることもできる。その液体酸素流は、次にポンプで汲み上げられて熱交換器内で加熱される。その熱交換器では、圧縮空気が熱伝達媒体である。
【００３４】
空気分離プラント１では、空気流１０が圧縮器１２によって圧縮されて、圧縮空気流１４が生成される。次いで圧縮空気流１４が給気冷却器１６を通されて圧縮の熱が除去され、圧縮空気流１４が予備精製ユニット１８内へ導入される。予備精製ユニット１８は、二酸化炭素、水蒸気、及び場合によっては可燃性炭化水素など、空気中のより高沸点の汚染物質を除去する。その結果得られる圧縮及び精製された空気流２０は、次いで、第１の副流２２、第２の副流２４、及び第３の副流２６に分割される。
【００３５】
第１の副流２２は、熱交換器２８内で整流に適した温度まで完全に冷却され、次いで空気分離ユニット３０へ渡される。空気分離ユニット３０は、低圧蒸留塔に熱的につながれた高圧蒸留塔から構成されており、空気を分離して、低圧塔の基部から引き出された酸素を多く含んでいる液体流３２と、高圧塔の上部から引き出された窒素を多く含んでいる蒸気流３４とにすることができる。窒素を多く含んでいる蒸気流３４は、熱交換器２８内で周囲温度まで完全に温め、次いで生成物圧縮器３６内で圧縮して、窒素生成物流３８を生成することができる。不純物の混じった窒素流４０は、低圧塔において、窒素を多く含んでいる蒸気流より下から引き出し、次いで第１の部分４２と第２の部分４４に分割することができる。第１の部分４２は熱交換器２８内で完全に温められ、第１の部分４２の一部４４は、予備精製ユニット１８内に吸着剤ベッドを再生する際に使用され、一部４６は廃棄流として排出される。
【００３６】
圧縮空気流２０の第２の部分２４は、昇圧圧縮器４８によって圧縮され、給気冷却器５０内で圧縮の熱が除去された後、熱交換器２８の高温端と低温端の間の温度まで部分的に冷却され、ターボエキスパンダ５２内に導入されて排気流５４が生成される。排気流５４は、低圧塔内に導入されて、空気分離プラント１内を冷却することができる。図示のように、圧縮器４８にはターボエキスパンダ５２が結合され、膨張の作用によって圧縮器４８を駆動させる。排気流５４を高圧塔内へ導入して、冷却することも可能である。窒素又は廃棄物の膨張も可能である。
【００３７】
圧縮空気流２０の第３の部分２６は昇圧圧縮器５６内へ導入され、給気冷却器５８内で圧縮の熱が除去された後、圧縮空気流５９が形成される。圧縮空気流５９は、熱交換器６０内で完全に冷却され、液体流６２になる。圧縮空気流５９は、ポンプで汲み上げられた液体酸素流６４を加熱する際に使用される圧縮流である。液体酸素流６４は、ポンプ６６内で酸素を多く含んでいる液体流３２を汲み上げ、それによって酸素生成物流６８を生成することによって形成される。ポンプで汲み上げられた液体酸素流６４は、約５５ｂａｒ（ａ）を上回る圧力を有する。５５ｂａｒ（ａ）は臨界圧力を上回る。したがって、ポンプで汲み上げられた液体酸素流６４を完全に温めたとき、その結果得られる周囲温度の酸素生成物流は、超臨界流体である。熱交換器２８及び６０の代わりに、一般的な熱交換器を使用できることに留意されたい。そのような熱交換器は、図１に提示したデータに基づいて計算される最適の空気圧に影響を与えない。
【００３８】
図示しないが、液体流６４は、追加の冷却を生じさせるように液体膨張器内で膨張し、又は塔内へ液体を導入できるように膨張弁内で膨張する。膨張後、その結果得られる液体は、２つの部分に分割されて、高圧塔及び低圧塔の中間位置へ導入されることができる。廃棄流４０の第２の部分４４は、熱交換器６０内で完全に温められ、別の廃棄流７０として排出される。当業者には知られているように、廃棄蒸気４０の第２の部分４４は、熱交換器２８及び６０を熱的に平衡させるために使用される。その結果、より低圧の熱交換器２８を出る流れとより高圧の熱交換器６８を出る流れの高温端の温度差によって、そのよ
うな熱交換器による高温端の冷却損失が抑制され、また、高圧熱交換器６０及び低圧熱交換器２８の低温端において、液体流６２と圧縮及び精製された空気流２０の第１の部分２２との温度差が低減される。このようにして、より高圧の熱交換器６０の低温端において、液体流６０とポンプで汲み上げられた液体酸素流６４の温度差を最適化することができる。昇圧された空気は、そのような熱交換器内で液化され、その後、少なくともより低圧の塔内だけでなく、場合によってはより高圧の塔内へ導入するために膨張させられなければならないという点を考慮すると、より高圧の熱交換器６０の低温端において温度差を低減させると有利である。この流れの温度が温かすぎる場合、膨張中に、昇圧された空気から蒸気が発生し、所望の生成物を生成するのに必要な空気の蒸留に悪影響を与える。
【００３９】
本発明を実施する際、圧縮空気流５９は、熱交換器６０に入るとき、ポンプで汲み上げられた液体酸素流６４の特定の圧力に対して、図１に示すように求められた圧力を有する。しかし、特定の状況では、図１で求められた圧力を上回るか下回るかにかかわらず、圧縮及び精製された空気流２０の第２の部分２６を圧縮する必要がある可能性もある。たとえば、より多くの液体が必要な場合、液体膨張器内により多くの冷却を生じさせるために、図１で求められた圧力を上回る圧力で圧縮空気流５９を生成する必要がある。同様に、状況によっては、図１で求められた値を下回る圧力で圧縮空気流５９を形成することが望ましいことがある。図示の実施例では、熱交換器２８より高圧で動作させることが可能な熱交換器６０に対して特有の熱交換器設計をすることは、より費用がかかる。熱交換器６０をより低圧で動作させることによって、コストを節約することができる。これら２つの状況のどちらにおいても、昇圧圧縮器５６に関する効率は損なわれる。より高圧にすると、ポンプで汲み上げられた液体酸素流６４を温めるのに必要な量よりも多くのエネルギーが消費される。より低圧にすると、圧縮及び精製された空気流２０の第２の部分２６の流量を増大させなければならない。その結果、昇圧圧縮器５６へ動力を供給する際により多くのエネルギーが消費される。しかし、これには事実上の限界が存在する。酸素生成物流の圧縮に関連する電力が効率的な状態よりも約１パーセントを超えて悪化した状態で動作させることは望まれない。図１の実線から求められるような圧縮空気流５０に対して、下は１０パーセントを下回らない値から２０パーセントまでの範囲の空気圧で行われる動作は、一様に、１パーセントの効率差分内にうまく収まることがわかった。図１において、実線より上に位置付けられた破線は、約２０パーセントを上回る圧力を表し、実線より下に位置付けられた破線は、実線から導出される空気圧を約１０パーセント下回る圧力を表す。
【００４０】
図１に示す曲線上で正確に動作しないのには、さらなる理由がある。たとえば、熱交換器６０などの大部分の熱交換器は、垂直方向に向けられている。したがって、そのような熱交換器内で酸素が上昇するにつれて圧力損失が生じ、熱交換器の底部で液化された空気に対する液体熱の利得が生じる。さらに、効率は、昇圧圧縮器５６の効率であり、必ずしも空気分離プラント全体の効率ではない。上記の通り、入ってくる空気のほぼ３０パーセントが、圧縮器５６へ送られる。冷却を生じさせる目的で昇圧圧縮器４８へ送られる空気の量とバランスをとることによって正確な量を求めることができる。たとえば、熱交換器６０がより小型の設計を取り入れる場合、高温端の温度差はより大きくなり、さらなる量の冷却を生じさせる必要がある。しかし同時に、より小型の熱交換器を設置する方が、より大きな熱交換器を設置するよりも費用がかからない。したがって、そのような状況下において、昇圧圧縮器５６への流量が少ないと仮定すると、昇圧圧縮器５６について選択される圧力は、図１に示す曲線によって予測される圧力より高い可能性がある。
【００４１】
図２に示す空気分離プラントの特徴を有する空気分離プラントを、ＵＮＩＳＩＭ  ＤＥＳＩＧＮというコンピュータ・プログラムを使用して一連の酸素圧でシミュレートし、各酸素圧に対して最小単位電力をもたらす空気圧を見出した。以下に示す表１は、圧力が１００ｂａｒ（ａ）までポンプで汲み上げられ、流量が５３２６ｋｃｆｈの液体酸素流６４
に対する計算を示す。図示のように、昇圧圧縮器５６についての最小単位電力は、１３８ｂａｒ（ａ）（２０００ｐｓｉａ）で発生した。
【００４２】
【表１】
2012517576.tif 000011
【００４３】
表２は、表１に示す基本の場合からＵＡが約２０パーセント変動したときに圧力に与える影響を示す。この場合も、昇圧圧縮器５６に対する最小単位電力は、１３８ｂａｒ（ａ）（２０００ｐｓｉａ）において生じることが見出された。
【００４４】
【表２】
2012517576.tif 000012
【００４５】
明らかなように、他のすべての係数を一定にすると、熱交換器をより大きく又は小さくすることによってＵＡを変動させることは、最適の圧力に影響を与えない。影響を受けるのは、ピンチ、高温端温度差、及び昇圧圧縮器５６に対する単位電力である。たとえば、基本の場合より２０パーセント小さいＵＡの場合、ピンチは２．２２５になり、高温端温度差は４．３９１まで上昇する。単位電力は、１８．８１まで増大した。より大きい熱交換器の場合は予期されるように、ピンチ及び高温端温度差は単位電力とともに低減した。しかし、そのような低減は、より大きい熱交換器を製作するという犠牲を伴う。これらの結果は、流量が増減するとＵＡがより大きく又はより小さくなるが、それでもなお、特定の酸素圧に対して図１で見出された最適の圧力は変動しないという点で、一般化することができる。
【００４６】
本発明を実施する際には、図１に従って、酸素圧によって空気圧が定まる。この圧力が
決定されると、熱交換器の資本コストのバランスをとりながら、空気を圧縮するための全体的な電力需要を下げるような効率的な高温端温度差を実現する熱交換器が設計される。プレートフィン熱交換器などを使用することが好ましいが、従来技術の螺旋状熱交換器などの他の設計を図１に関連して使用することもできる。しかし、本発明の熱交換器の一つにおいては、アルミニウム製蝋付けプレートフィン熱交換器が使用される。アルミニウム製蝋付けプレートフィン熱交換器では、まっすぐなフィン構造を組み込む従来技術の高圧設計とは異なり、流路の長さを増大させて乱流を生成し、流れを混合させ、それによって効率的な熱交換器設計を行うための起伏するフィン構造が提供される。そのようなフィンを使用することで、流路の長さを延長（熱伝達表面をより大きく）して、流れ方向の周期的な変化及び隣接するフィン表面上への流れの衝突の結果、境界層を破断することによって、熱伝達が高められる。そのような影響の強度は、フィンのピッチ「Ｐ」、波長「Ｌ」、振幅「Ａ」、及びフィン厚さ「Ｔ」に依存する。振幅「Ａ」がフィンのピッチ「Ｐ」より小さいとき、チャネル流路の長さは増大されず、単に粗面化される。これによって熱伝達を幾分高めるが、振幅「Ａ」がピッチ「Ｐ」より大きいときほどには高まらない。
【００４７】
そのような設計は、上記で概説したように、熱交換器６０の実際の実施例に組み込まれることが好ましく、それを図３及び図４に示す。熱交換器６０は、アルミニウム製蝋付けフィン熱交換器の形式である。そのような熱交換器は、酸素生成物流６８の形で酸素を温めるための少なくとも一連の酸素通路７２と、圧縮空気流を完全に冷却して２相流６２にするための空気通路７４と、熱平衡の目的で窒素廃棄流４０の一部４４を通すための窒素平衡通路７６とを有する。通路はそれぞれ、分割シート７８間に形成され、端部において、図示しない端部ブロックによって、ブロック８０及び８２によって両側で封止される。そのような熱交換器の上部及び底部は、上部キャップ・シート８４及び底部キャップ・シート８６によって封止される。しかし、図４は概略図であり、実際の設置では、図示したものよりさらに多くの通路が存在することを理解されたい。
【００４８】
圧縮空気流５９及びポンプで汲み上げられた液体酸素流６４は、入口ヘッダ８８及び９０によって酸素通路７２及び空気通路７４内へ導入され、酸素生成物流６８及び液体流６２は、出口ヘッダ９２及び９４によって酸素通路７２及び空気通路７４から排出される。同様に、窒素廃棄流４０の一部４４は、入口ヘッダ９６及び出口ヘッダ９８を通って、それぞれ窒素通路７６内へ導入され、廃棄流７０として排出される。そのような構造はすべて従来のものであり、当技術分野では周知である。
【００４９】
通路内には、フィン１００がある。フィン１００は、熱交換器７８の構造上の完全性を維持し、熱伝達が発生するためのより大きい表面積を提供する働きをする。流体は、フィン１００間に位置する通路１０１内を通る。従来技術では、そのようなフィンは、押出し成形されたまっすぐな部分である。しかし、本発明によれば、図５及び図６により具体的に示すように、フィン１００は、起伏する構成を有し、通路を通る流れに流れ分離を与え、したがってより大きい熱伝達係数を与える。上記で論じたように、起伏するフィン１００を通過する流れの速度は、流れ分離をもたらされるように選択される。流れ分離は、層流と乱流との間の遷移の範囲内、又は乱流とすることができる。この流れは、少なくとも空気流であるが、場合によってはそのようなフィン設計が酸素通路にも使用される場合、酸素流である。この点に関して、速度は、熱交換器の高温端温度と低温端温度の間の中間部の温度で定義されるレイノルズ数が約４００より大きくなるように選択される。そのようなレイノルズ数は少なくとも、遷移領域内に流れをもたらす。レイノルズ数は、平均速度、水力直径、及び流体密度の積と流体の動粘性の比であるため、必要な速度の計算は、そのような関係からの簡単な計算である。この起伏する構成は、弧状構成の山１０６及び谷１０８を形成するフィン１００それぞれの長さ寸法１０４に沿って、規則的な隔置された最大振幅点を有する。弧状構成の目的は、山及び谷が鋭利な点であった場合、過度の乱流によって普通ならもたらされる圧力降下損失をなくすことである。まっすぐな区間１１
０で、山１０６と谷１０８を接続する。
【００５０】
上記の議論によれば、フィン１００は、隣接するフィン１００間で測定されるピッチ寸法「Ｐ」より大きい最大振幅「Ａ」を有する。構造上の完全性を維持するために、フィンは、熱交換器を形成する材料に対する降伏応力にほぼ等しい許容できる引張り応力に約０．５以下であり好ましくは約０．１５以上である安全率を掛けた値で圧縮空気流５９の空気圧を割った値に等しい係数を約０．４に掛けた値より大きいピッチ寸法「Ｐ」に等しい横方向の厚さを有する。通常、０．２５の安全率が使用される。フィン１００それぞれの事実上の波長「Ｌ」は、約０．３１７５ｃｍ（０．１２５インチ）以上であり約３．８１ｃｍ（１．５インチ）以下の波長範囲内である。図では、フィンはすべて同一設計のものであることに留意されたい。しかし、ポンプで汲み上げられた酸素流６４の酸素圧が約８０ｂａｒ（ａ）未満である場合、酸素通路７２内のフィン１００は、空気通路７４内の圧縮空気流５９によって引き起こされるのと同じ程度の応力を受けないという点から、より薄くすることができる。図示しないが、穿孔された材料を用いてフィン１００を形成することも可能である。穿孔は、追加の乱流を提供するが、構造上の強度を幾分損失するという犠牲を伴う。圧縮空気及び酸素に使用されるフィンが同じ厚さ、ピッチ振幅などであるとき、酸素層には穿孔版のフィンを使用すると有利である。
【００５１】
熱交換器６０は、約１００ｂａｒ（ａ）の圧力までポンプで汲み上げられた酸素を加熱すること、そして約１３８ｂａｒ（ａ）の圧力を有する空気流を使用することが可能な熱交換器である。図１に関して論じた役割で使用されるときの熱交換器６０内で使用されるフィン設計の一例として、そのような熱交換器は、約０．０９６５２ｃｍ（０．０３８”）のピッチ「Ｐ」及び０．０４０６４ｃｍ（０．０１６”）の厚さ「Ｔ」を有するフィンを組み込むことができる。フィン高さ「Ｈ」は、約０．２５４ｃｍ（０．１”）〜１．０１６ｃｍ（約０．４”）の範囲内である。熱交換器を構築するためにＡＬＬＯＹ３００３のアルミニウムが使用されたものとすると、許容できる最大引張り応力は、２４×１０６Ｐａになる。これは、最終引張り応力（ＵＴＳ）に０．２５の安全率を掛けた値である。明らかなように、フィンの厚さとピッチの比は、０．４２に等しい。０．０５０８ｃｍ（０．０２０）のフィン厚さが使用された場合、対応するピッチは、０．１２７ｃｍ（０．０５”）（２．５４ｃｍ（１インチ）あたり２０フィン）とする必要がある。しかし、好ましい形態は、約０．４２より大きい厚さとピッチの比を維持するために、より小さいピッチ及び対応する厚さを使用することである。これは、より大きいピッチの場合に表面積がより大きくなるためである。同じフィン設計は、熱交換器６０の場合、空気通路７４と酸素通路７２の両方に使用することができる。次いで熱交換器、たとえば熱交換器６０は、層の数、層の構成、及びそれぞれの層内の流れ面積に関して、当業者には周知の形で設計される。
【００５２】
本発明について、好ましい実施例を参照して説明したが、当業者には想到されるように、添付の特許請求の範囲に記載の本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、そのような実施例には多数の追加、省略、及び変更を加えることができる。