特開 2023-172934 空気を分離するための装置および方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023172934

(43)【公開日】2023-12-06

(54)【発明の名称】空気を分離するための装置および方法

(51)【国際特許分類】

   F25J 3/04 20060101AFI20231129BHJP

【ＦＩ】

F25J3/04 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023083641

(22)【出願日】2023-05-22

(31)【優先権主張番号】2204917

(32)【優先日】2022-05-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(31)【優先権主張番号】2207089

(32)【優先日】2022-07-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(71)【出願人】

【識別番号】591036572

【氏名又は名称】レール・リキード－ソシエテ・アノニム・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード

(74)【代理人】

【識別番号】110003708

【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所

(72)【発明者】

【氏名】ジョン・パッション・モラル

(72)【発明者】

【氏名】ミカエル・ワッティヨー

(72)【発明者】

【氏名】ベルナール・ラベゴル

(72)【発明者】

【氏名】リエン－ミン・スン

【テーマコード（参考）】

4D047

【Ｆターム（参考）】

4D047AA08

4D047DA05

4D047DA11

(57)【要約】      （修正有）

【課題】空気を分離するための装置において、液体配管内の閉塞のリスクを抑制しながら低温液体の気化を促進するために、製造および設置が簡単である構成を提供する。
【解決手段】ガス流Ｇ内で低温液体Ｌのジェットを分裂させるためのデバイスを備える、空気を分離するため装置であって、１０ｍｍ以上の内径を有する、低温液体のための供給配管と、直径ｄを有する円形断面のガス管Ｔとを備え、ガス管が、液体の注入点において、および距離ｙにわたって２０～５０％の比で縮径した部分を備え、ここで、ｙ＝ｎ×ｄであり、供給配管が、その端部が管の縮径した部分内にあり、ｎが７から９の間であるようにガス管に貫入する、装置。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

低温蒸留によって空気を分離するための装置であって、ガスによる熱交換によって空気を冷却するための熱交換器（Ｅ）と、前記熱交換器内で冷却された空気を分離するための少なくとも１つの蒸留カラムを備えるカラム（Ｃ）システムと、端部を有し、低温液体（Ｌ）を供給するための液体供給配管と、ガス管（Ｔ）とを備える装置において、
前記液体供給配管が、１０ｍｍ以上、好ましくは２０ｍｍ以上の内径を有し、前記ガス管（Ｔ）が、円形断面であって、前記ガス管の長さの５０％超にわたって６００ｍｍ未満、好ましくは４５０ｍｍ未満の直径ｄとを有し、前記ガス管が、液体の注入点において距離ｙにわたって２０～５０％の比で縮径した部分を備え、ここで、
ｙ＝ｎ×ｄであり、
ガス流内で低温液体のジェットを分裂させるために、前記液体供給配管の端部が前記ガス管の縮径した部分内にあり、ｎが７から９の間、好ましくは７．５から８．５の間であるように前記液体供給配管が前記ガス管に貫入し、前記ガス管（Ｔ）は、前記カラムシステムのカラムによって生成されるガスが供給されるように前記熱交換器に接続され、前記液体供給配管が、前記カラムシステムのカラムによって生成される液体が供給されるように前記カラムシステムに接続されていることを特徴とする、装置。

【請求項2】

液体注入ノズルが、前記液体供給配管の端部に配置されている、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記液体注入ノズルが、平坦なジェットまたはシート形態のジェットを生成することができる平坦なジェットタイプのものである、請求項２に記載の装置。

【請求項4】

前記液体供給配管の端部が、前記ガス管（Ｔ）の中央軸周りのｄ／１０の半径内にある、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。

【請求項5】

前記カラム（Ｃ）システムが、空気と比較して酸素が豊富である液体によって囲まれた底部を有するカラムを備え、前記液体供給配管が、前記底部に接続されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。

【請求項6】

前記カラム（Ｃ）システムが、空気と比較して酸素が豊富である低温液体を含有する高品質凝縮器を有するカラムを備え、前記液体供給配管が、前記凝縮器に接続されている、請求項５又は６に記載の装置。

【請求項7】

タービン（Ｄ）を備え、前記ガス管（Ｔ）が、空気と比較して窒素が豊富であるガスを、前記ガス管の縮径した部分に送るために前記カラムシステムに接続され、前記ガス管の縮径した部分が、前記低温液体が内部で分裂されているガスであって、窒素が豊富な前記ガスを前記タービンに送るために前記タービンに接続されている、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。

【請求項8】

前記低温液体が静水圧によって加圧されるように前記液体供給配管が配置されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。

【請求項9】

低温蒸留によって空気を分離するための方法であって、空気はガスとの熱交換によって熱交換器（Ｅ）内で冷却され、前記熱交換器内で冷却された空気は、少なくとも１つの蒸留カラムを備えるカラム（Ｃ）システム内で分離される、方法において、
低温液体のジェットが、ガス流（Ｇ）内で分裂され、－１００℃を下回る温度の低温液体（Ｌ）が、端部を有する液体供給配管内で循環し、前記液体供給配管が、１０ｍｍ以上、好ましくは２０ｍｍ以上の内径を有し、露点を１０から３０℃上回る温度のガスが、ガス管の長さの５０％超にわたって直径ｄを有する円形断面の前記ガス管内で循環し、前記ガス管が、液体の注入点において距離ｙにわたって２０～５０％の比で縮径した部分を備え、ここで、
ｙ＝ｎ×ｄであり、
前記低温液体が前記液体供給配管を介して送られ、前記液体供給配管は、その端部が前記ガス管の縮径した部分内にあり、前記低温液体が前記ガス管の縮径した部分内に出現し、ｎが７から９の間、好ましくは７．５から８．５の間の数であるように前記ガス管に貫入し、前記ガス管は、前記熱交換器に接続され、前記カラムシステムのカラムによって生成されるガスが供給され、前記液体供給配管は、前記カラムシステムに接続され、前記カラムシステムのカラムによって生成される液体が供給されることを特徴とする、方法。

【請求項10】

前記低温液体および前記ガスが、上部から底部に循環する、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

前記ガスが、残留窒素である、請求項９または１０に記載の方法。

【請求項12】

前記ガスが、４５から９５モル％の酸素を含有する、請求項９または１０に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、空気を分離するための装置および方法に関する。本装置は、ガス管内で低温液体を分裂させるためのデバイスを備える。

【背景技術】

【0002】

ガスが循環している管内に低温液体を注入することが必要になる場合がある。

【0003】

液体酸素ポンプ無しで空気を分離するための装置の従来の設計では、液体のパージにより、液体酸素の浴を炭化水素に分解することが可能になる。結果として得られた冷気は、最初のパスの後に残留窒素内に注入されて、主要交換器内で使用され得る。液体を主に注入することを可能にする過剰圧力は、パージ液体の重量による静水高さから生じる。したがって、低流量の低温液体が、より大きい過熱されたガスの流量で蒸発することになる。

【0004】

いくつかの場合、残留窒素は、その後、膨脹によってタービン内に進むことができる。しかし、タービンの車輪は、液滴からの潜在的な影響に敏感である。したがって、液体がタービンに到達する前に完全に蒸発することを確実にすることが必要である。

【0005】

また、４５から９５モル％の酸素、たとえば７２から８２モル％の酸素を含有するガスに低温液体を注入することも可能である。

【0006】

本発明は、低温液体をガス管に注入するためのデバイスに関する。ガスは、好ましくは、０℃を下回る温度にあり、空気を分離するための装置の主要熱交換器内で部分的に加熱されており、空気の低温蒸留のための方法の生成物である。

【0007】

これを行うための最も簡単な方法は、２つの管を単一の管になるような方法で接続するだけである。したがって、注入は壁注入である。これは、２つの流体間に数十度の温度差が存在することができ、ガスの流量が液体の流量より完全に多い場合に限り、十分であると考えられ得る。

【0008】

しかし、現実には、交換係数は、当該の低温温度では低い。具体的には、液体の速度が遅すぎて、ジェットが壁から遠くに貫入することはできない。さらに、この構成において発生した液滴は、燃焼分野における文献内で入手可能なモデルによると、ミリメートル規模であり、それにより、これらの気化は遅くなる。実際に液体ラインがブロックされるリスクにより、相対的に大きい管直径、したがって、液体に関する低速度と、とりわけ、典型的には大きなサイズの両方を使用することが必要になる。

【0009】

さらに、液滴は、ガスの速度まですばやく加速され、相対速度は、したがって、主に拡散による伝達を伴って失われ、拡散は、対流による伝達より効果的ではない。

【0010】

当業者が混合を改善するための１つの自然な方法は、注入の下流側の管内にスタティックミキサを加えることである。しかし、液体が小滴になると、そのようなデバイスは、小滴がガスの流れに追従するためにあまり効果的でないか、または液滴がミキサ上に堆積されると、液体はミキサの出口においてさらに分裂され(broken up)、液滴のサイズを予測することが難しくなるために非生産的にもなる。

【0011】

化学工学において従来的である別の方法は、この場合は管内にある充てん層（packed bed）上に液体を分配するか、または液体を微細な小滴で噴霧するために高い圧力損失を有するノズルを使用することである。比較的複雑であるこれら２つの技術は、閉塞のリスクを抑制するために液体の通過のための大きな断面を保つ必要があることにより、不可能になっている。

【発明の概要】

【0012】

本発明の目的は、液体配管内の閉塞のリスクを抑制しながら低温液体の気化を促進するために、製造および設置が簡単である構成を提案することである。

【0013】

これを達成するために、本発明は、低温蒸留によって空気を分離するための装置であって、ガスによる熱交換によって空気を冷却するための熱交換器と、交換器内で冷却された空気を分離するための少なくとも１つの蒸留カラムを備えるカラムシステムと、端部を有し、低温液体を供給するための配管と、ガス管とを備える、装置において、液体供給配管が、１０ｍｍ以上、好ましくは２０ｍｍ以上の内径を有し、ガス管（Ｔ）が、円形断面であって、その長さの５０％超にわたって６００ｍｍ未満、好ましくは４５０ｍｍ未満の直径ｄとを有し、ガス管が、液体の注入点において距離ｙにわたって２０～５０％の比で縮径した部分を備え、ここで
ｙ＝ｎ×ｄであり、
ガス流内で低温液体のジェットを分裂(break up)させるために、供給配管が、その端部が管の縮径した部分内にあり、ｎが７から９の間、好ましくは７．５から８．５の間であるように供給配管がガス管に貫入し、ガス管（Ｔ）は、カラムシステムのカラムによって生成されたガスが供給されるように熱交換器に接続され、液体供給配管は、カラムシステムのカラムによって生成された液体が供給されるようにカラムシステムに接続されることを特徴とする、装置に関する。

【0014】

他の任意選択の態様によれば、
・流体間の圧力差は、その管内の液体の静水圧によるものであり、
・低温液体供給配管は、閉塞のリスクを抑制するために、１０ｍｍ以上、好ましくは２０ｍｍ以上の内径を有し、
・ガスの過熱は、露点を１０から３０℃上回っており、
・低温液体供給配管は、ガス管の中央まで貫入しており、
・ガス管は、低温液体の注入点において、ジェットを分裂させるための距離の１～５倍に対応する距離にわたって２０～５０％の比で縮径している。

【0015】

本発明の他の任意選択の主題によれば、装置内では、
・液体注入ノズルは、供給配管の端部に配置され（これにより、フィルム形態の霧化を発生させることが可能になり、ノズルは閉塞に耐性を有し）、
・ノズルは、平坦なジェットまたはシート形態のジェットを生成することができる平坦なジェットタイプのものであり、
・供給配管の端部は、ガス管の中央軸周りのｄ／１０の半径内にあり、
・供給配管は、その端部が、管の縮径した部分の開始部にあるようにガス管に貫入し、
・ガス管は、第１の直径を有する第１のセクションと、第１の直径より２０～５０％の比だけ小さい第２の直径を有する第２のセクションとを有し、
・ガス管は、第１のセクションと第２のセクションとの間に中間セクションを有し、
・供給配管の端部は、中間セクションまたは第２のセクション内にあり、
・カラムシステムは、空気と比較して酸素が豊富である低温液体によって囲まれた底部を有するカラムを備え、供給配管は、この底部に接続され、
・カラムシステムは、空気と比較して酸素が豊富である低温液体を含有する高品質（top-end）凝縮器を有するカラムを備え、供給配管は、この凝縮器に接続され、
・本装置は、タービンを備え、ガス管は、空気と比較して窒素が豊富であるガスを、ガス管の縮径した部分に送るためにカラムシステムに接続され、ガス管の縮径した部分は、低温液体が内部で分裂されている、窒素が豊富なガスをタービンに送るためにタービンに接続されており、
・液体供給配管は、低温液体が静水圧によって加圧されるように配置される。

【0016】

本発明の別の主題によれば、これは、低温蒸留によって空気を分離するための方法であって、空気はガスによる熱交換によって熱交換器内で冷却され、交換器内で冷却された空気は、少なくとも１つの蒸留カラムを備えるカラムシステム内で分離される、方法において、低温液体のジェットが、ガス流内で分裂され、－１００℃を下回る温度の低温流体が、端部を有する供給配管内で循環し、液体供給配管が、１０ｍｍ以上、好ましくは２０ｍｍ以上の内径を有し、露点を１０℃から３０℃上回る温度のガスが、ガス管の長さの５０％超にわたって直径ｄを有する円形断面のガス管内で循環し、ガス管が、液体の注入点において距離ｙにわたって２０～５０％の比で縮径した部分を備え、ここで
ｙ＝ｎ×ｄであり、
低温液体が供給配管を介して送られ、この供給配管は、その端部がガス管の縮径した部分内にあり、低温液体がガス管のこの部分内に出現し、ｎが７から９の間、好ましくは７．５から８．５の間の数であるようにガス管に貫入し、ガス管が、熱交換器に接続され、カラムシステムのカラムによって生成されたガスが供給され、液体供給配管が、カラムシステムに接続され、カラムシステムのカラムによって生成された液体が供給されることを特徴とする、方法を提供する。好ましくは、ガスおよび低温液体は、上部から底部に循環する。したがって、静水圧は、混合の加圧に寄与する。

【0017】

静水圧だけで、複雑で壊れやすいポンプの使用を回避することが可能である。

【0018】

低温液体が内部で分裂されるガスは、残留窒素であってもよく、または４５から９５モル％の酸素を含有してもよい。

【0019】

本発明は、図を参照しながらより詳細に説明される。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】装置の負荷の関数とする、さまざまなモデルによって算出された液滴のサイズを示す図。

【図2】液滴の初期サイズの関数とする、液滴の気化までの気化時間および進行した距離を示す図。

【図3】液体ジェットが横方向ガス流内にある構成におけるガス管の直径の関数とする最大液滴サイズのモデルを示す図。注入点における、および液体ジェットを分裂させるための距離にわたるガス配管の縮径により、液滴の最大サイズを低減することが可能になる。

【図4】中央注入を有する構成（左手側）と、中央注入および本発明によるガス管の縮径した構成（右手側）とを有する、空気を分離するための装置内に組み込まれるガス管内で液体を分裂させるためのデバイスを示す図。

【図5】本発明による、低温蒸留によって空気を分離するための装置を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0021】

図４は、中央注入を有する構成（左手側）と、中央注入および本発明によるガス管の縮径した構成（右手側）とを示す。右手の図は、液体ＬがガスＧ管Ｔの中央に送られることを示す。右手の図は、右手の管Ｔがその長さのほとんどにわたって、換言すればその長さの５０％超にわたって６００ｍｍ未満、好ましくは４５０ｍｍ未満の直径ｄを有し、その長さの一部分が、－１００℃を下回る温度の液体注入点において、距離ｙにわたって２０～５０％の比で縮径しており、ここで
ｙ＝ｎ×ｄであり、
ｎは、７から９の間、好ましくは７．５から８．５の間、たとえば８であることを示す。

【0022】

ガスＧは、好ましくは、その露点を１０から３０℃上回る温度にある。液体注入配管の端部は、ガス管Ｔの中央軸周りのｄ／１０の半径内にある。液体ジェットを分裂させるための距離ｙにわたるガス管のこの縮径により、液滴の最大初期サイズを低減することが可能になる。

【0023】

右手の図のガス管Ｔは、第１の直径を有する第１のセクションと、第１の直径より２０～５０％の比だけ小さい第２の直径を有する第２のセクションとを有する。ガス管Ｔは、第１のセクションと第２のセクションとの間に中間セクションを有する。中間セクションの最も狭い部分内の縮径は、ここでも直径の２０から５０％の間であるため、液体Ｌ供給配管の端部は、中間セクションまたは第２のセクション内にある。

【0024】

ガス配管の中央部への低温液体の供給により、壁への癒着のリスクを抑制しながらガスと液体との間の混合を促進することが可能になる。

【0025】

平坦なジェットノズルの使用は、フィルム形態の霧化のための最も優れた（first）機構を提供し、それによって閉塞を防止するのに十分である通過のための直径を保持しながら初期の液滴サイズを抑制する。平坦なジェットノズルは、仏国特許第３１１３６０８号および仏国特許第３１０７６５９号から知られている。

【0026】

低温液体を分裂させるためのデバイスは、図５に示される蒸留によって空気を分離するための装置内に組み込まれる。低温蒸留によって空気を分離するための装置Ａは、ガス１による熱交換によって空気１を冷却するための熱交換器Ｅと、熱交換器内で冷却された空気を分離するための少なくとも１つの蒸留カラムを備えるカラムＣのシステムとを備える。

【0027】

カラムシステムは、第１の圧力で動作する単一のカラム、または第１のカラムと、第２の圧力で動作する第２のカラムとを備えることができ、第１のカラムの上部は、第２のカラムの底部に熱的に結合される。ガス管Ｔは、カラムＣのシステムのカラムによって生成されるガスを供給するために熱交換器Ｅに接続される。ガスは、その露点を１０から３０℃上回る温度でデバイスに到達するように、低温液体を分裂させるためのデバイスに送られる前に熱交換器Ｅ内で加熱され得る。液体供給配管は、－１００℃を下回る温度でカラムシステムのカラムによって生成される低温液体を供給するためにカラムシステムに接続される。低温液体は、好ましくは、カラムシステムのパージに対応する。

【0028】

１つの変形形態によれば、カラムシステムは、空気と比較して酸素が豊富である液体によって囲まれた底部を有するカラム、たとえば第２のカラムを備え、配管は、この底部に接続される。

【0029】

別の変形形態によれば、カラムシステムは、空気と比較して酸素が豊富である液体を含有する高品質凝縮器を有するカラム、たとえば単一のカラムを備え、供給配管は、この凝縮器に接続される。

【0030】

本装置は、タービンＤを備えることができ、ガス管Ｔは、空気と比較して窒素が豊富であるガスを、低温液体を分裂させるためのデバイスに送るためにカラムシステムに接続され、このデバイスは、低温液体が内部で分裂されているガスであって、窒素が豊富なガスをタービンに送るためにタービンに接続される。

【0031】

液体供給配管は、液体が静水圧によって加圧されるように配置される。この場合、液体をデバイスに送るためのポンプ無しにすることが可能な場合がある。

【0032】

液体が内部で分裂されるガスは、残留窒素であってもよく、または４５から９５モル％の酸素を含有してもよい。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【外国語明細書】