特表 2024-508391 深冷蒸留によって空気を分離する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-02-27

(54)【発明の名称】深冷蒸留によって空気を分離する方法

(51)【国際特許分類】

   F25J 3/04 20060101AFI20240219BHJP

   F25J 5/00 20060101ALI20240219BHJP

   F25J 3/08 20060101ALI20240219BHJP

【ＦＩ】

F25J3/04 101

F25J5/00

F25J3/08

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023547532

(86)(22)【出願日】2022-02-14

(85)【翻訳文提出日】2023-08-05

(86)【国際出願番号】 EP2022053473

(87)【国際公開番号】W WO2022175194

(87)【国際公開日】2022-08-25

(31)【優先権主張番号】2101594

(32)【優先日】2021-02-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(81)【指定国・地域】

(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】ダヴィディアン，ベノワ

【テーマコード（参考）】

4D047

【Ｆターム（参考）】

4D047AA08

4D047AB01

4D047AB02

4D047BA03

4D047BB03

4D047CA04

4D047CA17

4D047DA08

4D047DA17

4D047EA00

(57)【要約】

【解決手段】 第一の圧力で動作する第一の塔（Ｋ１）と、第一の塔より低い第二の圧力で動作する第二の塔（Ｋ２）とを含む塔のシステムにおいて、深冷蒸留によって空気を分離する方法では、空気流（１１）が、熱交換器の低温端に向かって上昇することにより、冷却後に前記熱交換器を出る温度Ｔ１は、空気流の露点より少なくとも１℃、好ましくは少なくとも２℃高い。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第一の圧力で動作する第一の塔（Ｋ１）と、前記第一の圧力より低い第二の圧力で動作する第二の塔（Ｋ２）とを含む塔システムであって、前記第一の塔の塔頂は、前記第二の塔の塔底に熱的に結合される、塔システムにおいて、深冷蒸留によって空気を分離する方法であって、
ｉ）水及び二酸化炭素が除去された空気流（１１）は、熱交換器（Ｅ）で冷却され、且つ気体形態で前記第一の塔に送られ、
ｉｉ）酸素富化液体（１０）は、前記第一の塔の塔底から引き出され、且つサブクーラ（Ｓ）で過冷却されて前記第二の塔に送られ、
ｉｉｉ）窒素富化液体（１２）は、前記第一の塔の上部から引き出され、且つ前記サブクーラで過冷却されて前記第二の塔に送られ、
ｉｖ）窒素豊富なガス（１５）及び酸素豊富な流体（１７）は、前記第二の塔から引き出され、且つ前記熱交換器内で加熱され、
ｖ）前記熱交換器は、前記第一の塔の下方に位置付けられ、前記第一の塔は、同様に、前記第二の塔の下方に位置付けられ、前記空気流は、前記熱交換器内で上昇によって冷却される、方法において、
ｖｉ）前記空気流（１１）が前記熱交換器を出て、且つ前記第一の塔に入る温度Ｔ１は、前記空気流の露点より少なくとも１℃高いこと
を特徴とする方法。

【請求項2】

前記空気流（１１）が前記熱交換器を出て、且つ前記第一の塔に入る前記温度Ｔ１は、前記空気流の前記露点より少なくとも２℃高い、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

水及び二酸化炭素が除去された別の空気流（１３）は、前記熱交換器（Ｅ）で冷却され、温度Ｔ２で前記熱交換器を出て、タービン（Ｔ）で膨張され、前記熱交換器に温度Ｔ３で戻され、且つ気体形態で前記第二の塔（Ｋ２）に送られる前に前記交換器で温度Ｔ４に冷却され、前記温度Ｔ２は、Ｔ１より高い、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

Ｔ４は、前記膨張された流れ（１３）の露点より少なくとも１℃高い、請求項３に記載の方法。

【請求項5】

Ｔ４は、前記膨張された流れ（１３）の前記露点より少なくとも２℃高い、請求項４に記載の方法。

【請求項6】

実質的に前記第二の圧力における、水及び二酸化炭素が除去された別の空気流は、前記熱交換器において、その露点より少なくとも１℃高い温度まで冷却され、且つ膨張されずに前記第二の塔に送られる、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

実質的に前記第二の圧力における、水及び二酸化炭素が除去された別の空気流は、前記熱交換器において、その露点より少なくとも２℃高い温度まで冷却され、且つ膨張されずに前記第二の塔に送られる、請求項６に記載の方法。

【請求項8】

前記酸素富化液体（１０）は、前記サブクーラにおいて、前記窒素富化液体が前記サブクーラに入る温度より低い温度まで冷却され、前記２つの過冷却された液体は、前記第二の塔（Ｋ）に送られる前にそれぞれの弁でそれぞれ膨張される、請求項１～７の何れか一項に記載の方法。

【請求項9】

前記第一の塔（Ｋ１）及び潜在的に前記第二の塔（Ｋ２）は、気体の空気流のみによって空気を供給される、請求項１～８の何れか一項に記載の方法。

【請求項10】

前記第一塔（Ｋ１）及び前記第二の塔（Ｋ２）は、最終生成物として気体流のみを生成する、請求項１～９の何れか一項に記載の方法。

【請求項11】

前記熱交換器（Ｅ）及び前記サブクーラ（Ｓ）は、一緒にろう付けされたアルミニウム板の単体で構成される、請求項１～１０の何れか一項に記載の方法。

【請求項12】

前記熱交換器での冷却による、前記第一の塔について意図される、水及び二酸化炭素が除去された前記空気流（１１）の圧力低下は、１２０ｍｂａｒを超えない、請求項１～１１の何れか一項に記載の方法。

【請求項13】

前記熱交換器での冷却による、前記第一の塔について意図される、水及び二酸化炭素が除去された前記空気流（１１）の前記圧力低下は、１００ｍｂａｒを超えない、請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

液体流は、前記第一の塔（Ｋ１）の中間高さにおいて引き出され、前記サブクーラ（Ｓ）において、前記サブクーラの出口での前記酸素富化液体の温度と、前記サブクーラの前記出口での前記窒素富化液体の温度との間の中間温度まで過冷却され、且つ前記第二の塔（Ｋ２）に送られる、請求項１～１３の何れか一項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、深冷蒸留によって空気を分離する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

分離装置は、一般的に、蒸留される空気を、蒸留の少なくとも２つの生成物に対して冷却する交換ラインと、第一の圧力で動作する第一の塔及び第一の圧力より低い第二の圧力で動作する第二の塔を含む塔システムとを含む。

【0003】

第一の塔の塔頂は、第二の塔の塔底に熱的に結合される。

【0004】

国際公開第１９１２６９２７号パンフレットは、主交換ラインが蒸留塔のシステムの下方に位置付けられ、交換器の高温端が塔底に向かって位置付けられる、深冷蒸留によって空気を分離するための装置を記載している。

【0005】

第一の塔に入る空気は、第一の塔に送られる前に交換ライン内で冷却される。

【0006】

主交換ラインにおける下から上への冷却中、この空気の一部が凝縮する。得られた液体は、安全上のリスクを生じさせる交換ライン内の液体の淀み、したがって空気の酸素及び付随する不純物（典型的にはＣ_ｎＨ_ｍ）の局所的富化を回避するために、ガスによって確実に適正に輸送しなければならない。

【0007】

十分なガスの速度を得るために、低減動作中を含め、第一の塔について意図される空気の圧力の顕著な低下が関わり、これには、エネルギの点でコストがかかる。

【0008】

空気分離装置において、第一の塔からの塔底液体（ＲＬ）は、膨張され、第二の塔の中央地点に送られる。第一の塔からの塔頂液体（ＰＬ）は、膨張され、第二の塔の塔頂部に送られる。２つの液体は、第二の塔からの塔頂ガスに対して熱交器内で過冷却される。

【0009】

特にクロスフロー式の、サブクーラとして知られるこの交換器において、プア液体（ｐｏｏｒ ｌｉｑｕｉｄ）、ＰＬとして知られる窒素富化塔頂液体と、リッチ液体（ｒｉｃｈ ｌｉｑｕｉｄ）、ＲＬとして知られる酸素富化塔底液体とは、あたかも直列の２つの交換器があるかのように２つの異なる区間で冷却される。これは、酸素豊富な液体が、第一の塔からの塔頂液体の流入温度より高い温度まで冷却されることを意味する。この構成では、残留窒素で利用可能な冷却は、完全には除去されない。

【0010】

従来のサブクーラは、Ｋｅｒｒｙ’ｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｇａｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ，ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ，２００７の９６ページに図解されている。流体の正確な位置は、特許又は他の文献では、図面を簡素化するために、常に示されているとは限らない。

【0011】

加えて、ブロワのタービンからの排ガスは、簡略化のために第二の塔に直接送られる。比較的高温のガスが第二の塔に送られる。

【0012】

これには、低温流体からの冷却回収を低減させる効果があり、主交換ラインから出て、第一の塔の塔底に向かう空気の一部（約１～２％）を凝縮させることが可能となる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

本発明は、装置の低減動作中を含め、少なくとも１つの空気流をその露点より１℃、さらに２℃高い温度で塔に供給することからなる。この実装形態により、第一の塔について意図される空気の主交換ラインにおける凝縮を回避することが可能となる。空気は、そのため、その露点より１℃、さらに２℃高い温度で主交換ラインから出る。

【0014】

第一の塔について意図される空気が露点より十分に高いことを確実にする１つの方法は、蒸留システムに入る特定の流体及び蒸留システムの内部流体の冷却をより深くすることである。この場合、圧力低下が非常に小さい交換ラインを設計することができ、安全性に関する液体輸送基準を考慮しなくてよい。

【0015】

これは、蒸留から得られた流体からできるだけ多くの低温（残留窒素、酸素、残留窒素より純度の高い第二の圧力の窒素）を回収する場合に当てはまる。

【0016】

第一の塔について意図される空気が露点より十分に高いことを確実にする１つの変形形態は、サブクーリングを調整して、第二の塔に入る液体の温度を下げることからなる。

【0017】

サブクーラにおいて、酸素富化液体の冷却は、それがその富化液体の流入温度より低い温度で出るように深められる。したがって、サブクーラ内には、両方の液体が第二の塔から流入する少なくとも１つの窒素流に対して同時に冷却される共有エリアがある。

【0018】

別の変形形態によれば、交換ライン内において、タービンからの排気は、交換ラインに向かって再び送られて、残留窒素（及び任意選択的に第二の塔からのより純度の高い窒素）及び酸素に対して冷却される。

【0019】

本発明の１つの目的によれば、第一の圧力で動作する第一の塔と、第一の圧力より低い第二の圧力で動作する第二の塔とを含む塔システムであって、第一の塔の塔頂は、第二の塔の塔底に熱的に結合される、塔システムにおいて、深冷蒸留によって空気を分離する方法であって、
ｉ）水及び二酸化炭素が除去された空気流は、熱交換器で冷却され、且つ気体形態で第一の塔に送られ、
ｉｉ）酸素富化液体は、第一の塔の塔底から引き出され、且つサブクーラで過冷却されて第二の塔に送られ、
ｉｉｉ）窒素富化液体は、第一の塔の上部から引き出され、且つサブクーラで過冷却されて第二の塔に送られ、
ｉｖ）窒素豊富なガス及び酸素豊富な流体は、第二の塔から引き出され、且つ熱交換器内で加熱され、
ｖ）熱交換器は、第一の塔より下方に位置付けられ、第一の塔は、同様に、第二の塔の下方に位置付けられ、空気流は、熱交換器内で上昇によって冷却される、方法において、
ｖｉ）空気流が熱交換器を出て、且つ第一の塔に入る温度Ｔ１は、空気流の露点より少なくとも１℃、好ましくは少なくとも２℃高いこと
を特徴とする方法が提供される。

【0020】

他の任意選択的な態様によれば、
・水及び二酸化炭素が除去された別の空気流は、熱交換器で冷却され、温度Ｔ２で熱交換器から出て、タービンで膨張され、熱交換器に温度Ｔ３で戻され、且つ気体形態で第二の塔に送られる前に交換器で温度Ｔ４に冷却され、温度Ｔ２は、Ｔ１より高く、
・Ｔ４は、膨張された流れの露点より少なくとも１℃、好ましくは少なくとも２℃高く、
・Ｔ４は、Ｔ１以下であり、
・実質的に第二の圧力における、水及び二酸化炭素が除去された別の空気流は、熱交換器において、その露点より少なくとも１℃、好ましくは少なくとも２℃高い温度まで冷却され、且つ膨張されずに第二の塔に送られ、
・酸素富化液体は、サブクーラにおいて、窒素富化液体がサブクーラに入る温度より低い温度まで冷却され、２つの過冷却された液体は、第二の塔に送られる前にそれぞれの弁でそれぞれ膨張され、
・第一の塔及び潜在的に第二の塔は、気体の空気流のみによって空気を供給され、
・第一の塔及び第二の塔は、最終生成物として気体流のみを生成し、
・熱交換器及びサブクーラは、一緒にろう付けされたアルミニウム板の単体で構成され、
・熱交換器での冷却による、第一の塔について意図される、水及び二酸化炭素が除去された空気流の圧力低下は、１２０ｍｂａｒ又はさらに１００ｍｂａｒを超えず、
・液体流は、第一の塔の中間高さにおいて引き出され、サブクーラにおいて、サブクーラの出口での酸素富化液体の温度と、サブクーラの出口での窒素富化液体の温度との間の中間温度まで過冷却され、且つ第二の塔に送られる。

【0021】

図面を参照して本発明をより詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】図１は、本発明による方法を示す。

【発明を実施するための形態】

【0023】

この方法は、第一の圧力で動作する第一の塔Ｋ１と、第一の圧力より低い第二の圧力で動作する第二の塔Ｋ２とを含む塔システムを使用する。第一の塔Ｋ１は、第二の塔Ｋ２に第二の塔の塔底蒸発器によって熱的に結合される。

【0024】

第一の塔は第二の塔Ｋ２より下方に位置付けられ、第一の塔の塔頂は、第二の塔の塔底に熱的に結合される。ろう付けによるアルミニウムのプレート式熱交換器Ｅは、第一の塔Ｋ１の下方に位置付けられる。

【0025】

空気流１は、圧縮器３によって第一の圧力まで圧縮され、冷却器５によって冷却されて、精製ユニット７で水及び二酸化炭素が除去される。冷却されるために、空気は、交換器の底部で熱交換器Ｅの高温端に送られ、交換器の低温端が塔頂にあるため、塔頂に向かって上昇する。

【0026】

精製された空気９は熱交換器Ｅで冷却され、交換器Ｅの中間温度である温度Ｔ２で２つに分割される。空気の一方の部分１１は、交換器において、空気分画９の露点より少なくとも１℃、好ましくは少なくとも２℃高い温度Ｔ１まで引き続き冷却される。

【0027】

この温度Ｔ１では、これは、交換器Ｅを出て、フィードガス流として塔Ｋ１の塔底に送られる。

【0028】

交換器Ｅを通過する空気９、１１の圧力低下は、１２０又はさらに１００ｍｂａｒを超えない。

【0029】

空気は第一の塔で分離されて、酸素富化塔底液体１０と窒素富化塔頂液体１２が形成される。液体１０と液体１２はサブクーラＳに送られ、そこで第二の塔Ｋ２からの少なくとも１つの窒素気体流１５は加熱される。液体１０はサブクーラにその高温端から入り、液体１２がサブクーラＳに入る温度より低い温度まで冷却される。液体１２は、サブクーラの低温端から出る。過冷却された液体１０及び過冷却された液体１２の各々は、弁で膨張され、液体１０は第二の塔Ｋ２のある高さに送られ、液体１２は第二の塔Ｋ２の、液体１０が入る高さより高い位置に送られる。サブクーラは、そのため、液体１０及び１２の両方が窒素１５に対して冷却される区間を含む。サブクーラＳは、塔Ｋ１の隣に設置され、その高温端は、塔底に向かって位置付けることができる。

【0030】

空気の、温度Ｔ２の１つの部分１３は、交換器の下流で圧縮されずにタービンＴで膨張され、交換器Ｅに温度Ｔ３で送られ、熱交換器Ｅで温度Ｔ４まで冷却されてから、気体形態で第二の塔に送られ、温度Ｔ２はＴ１より高い。Ｔ４は、Ｔ１より高いか、それと等しいか又はそれより低くてもよい。Ｔ４は、膨張された流れ１３の露点より少なくとも１℃、好ましくは少なくとも２℃高い。部分１３は、交換器Ｅの低温端から出て、気体形態で第二の塔Ｋ２の、膨張された液体１０の到達より低い位置に直接入る。空気１１について、部分１３は上昇によって交換器で冷却される。

【0031】

塔Ｋ２は流れ１０及び１２を蒸留によって分離し、塔頂において窒素富化気体１５及び塔底において酸素富化気体１７を形成する。気体１７は交換器Ｅ内で下降によって加熱され、その後、この方法の生成物として使用される。

【0032】

サブクーラにおいて且つ次に交換器Ｅ内で下降によって加熱された気体１５は、２つに分割され、一方の部分は、精製ユニット７を再生させるために使用され、残りは、生成物又は残留窒素として使用される。

【0033】

ここで、第一の塔Ｋ１は、気体空気流によってのみ空気が供給される。

【0034】

第二の塔Ｋ２にも空気を供給でき、この場合、それは気体空気のフィードのみである。

【0035】

この方法は、最終生成物として気体流１５、１７のみを生成する。塔Ｋ２の塔底凝縮器からのパージ流は最終生成物とは考えない。

【0036】

サブクーラＳは主交換ラインＥに組み込むことができる。これにより、蒸留から得られた低温流体１５、１７の（おそらく同じく第二の塔Ｋ２からの純粋窒素の）分解をさらに最大化して、リッチ及びプア液体１０、１２及びブロワのタービンからの第二の圧力の空気の冷却を最大化することができる。

【0037】

流体１５、１７に加えて、塔Ｋ１から引き出された液化空気流は、サブクーラＳで過冷却してから塔Ｋ２に送ることができる。

【0038】

図１は、方法に空気を供給する１つの可能性を示している。他の変形形態、例えば仏国特許第３０８９０８３１号明細書の、第一の圧力で動作する第一の塔と、第一の圧力より低い第二の圧力で動作する第二の塔とを含み、第一の塔の塔頂は、第二の塔の塔底に熱的に結合される、変形形態も使用可能である。

【0039】

この場合、３つの空気流が使用される。空気は第二の塔の圧力まで圧縮され、その後精製される。次に、空気は２つに分割され、一方の部分は第二の塔の圧力で冷却され、交換器内で上昇によって第二の塔に送られる。交換器を出る際の最終的な温度は、第二の圧力でのその露点より少なくとも１℃、好ましくは少なくとも２℃高い。

【0040】

もう一方の部分は、第一の塔の圧力まで昇圧される。この部分の１つの分画は、交換器内で上昇によって冷却され、空気分画の露点より少なくとも１℃、好ましくは少なくとも２℃高い温度でそこから出る。

【0041】

この部分の残りは、交換器で温度Ｔ２まで冷却され、ブロワのタービンで膨張され、交換器に温度Ｔ３で戻され、熱交換器の低温端に上昇して温度Ｔ４まで冷却され、第二の塔に送られる。Ｔ４は、露点より少なくとも１℃、好ましくは少なくとも２℃高い。

【図1】

【国際調査報告】