JP2000171149A - 空気分離装置 - Google Patents

空気分離装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 他の関連生産物の需要に関わりなく、エネル
ギー効率よく低純度酸素を供給する技術を提供するこ
と。 【解決手段】 上塔Ａ及び下塔Ｂを備え、供給される原
料空気を精留分離する精留塔、及び、圧縮供給される原
料空気を熱交換により冷却する熱交換器１を設け、前記
原料空気の一部分を前記熱交換器１の中間部から取出
し、断熱膨張させる膨張機２、及び、前記膨張機２によ
り駆動され、熱交換器１を通過した原料空気を圧縮する
低温昇圧機３を設け、前記上塔Ａ下部から取り出された
液体酸素を、前記熱交換器に供給して蒸発させる液体酸
素ポンプ７を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、空気分離装置に関
し、具体的には、７０％から９５％程度のいわゆる低純
度酸素を得る技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種の空気分離装置により低純
度酸素を得る技術としては、酸素から窒素を分離するた
めの環流比を得るために必要な圧縮空気を下塔に供給
し、残部を膨張タービンに送り、余剰寒冷を液体酸素も
しくは液体窒素を発生させる熱源として用いること、あ
るいは、下塔から有圧窒素ガスを製品窒素ガスとして取
出すことが行われており、低純度酸素を得るためのエネ
ルギーを有効に回収し、装置全体としての経済性を保っ
ていた。つまり、例えば、図７に示すように、製品酸素
ガスを得るために、液体窒素や窒素ガスをともに生産
し、その液体窒素等を用いて熱回収を行うことで、エネ
ルギー効率よく装置を運転できるように構成することが
行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
の空気分離装置によれば、低純度酸素以外に生産対象と
なるものを想定しておき、その生産物にエネルギーを回
収させることになるから、他の生産物の需要が低下した
場合には、やはり、無駄なエネルギーの浪費をしている
ことになって、経済性が低下する傾向にあった。
【０００４】従って、本発明の目的は、上記欠点に鑑
み、他の関連生産物の需要に関わりなく、エネルギー効
率よく低純度酸素を供給する技術を提供することにあ
る。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の本発明の空気分離装置の特徴構成は、上塔及び下塔を
備え、供給される原料空気を精留分離する精留塔、及
び、圧縮供給される原料空気を熱交換により冷却する熱
交換器を設け、前記原料空気の一部分を前記熱交換器の
中間部から取出し、断熱膨張させる膨張機、及び、前記
膨張機により駆動され、熱交換器を通過した原料空気を
圧縮する低温昇圧機を設け、前記上塔下部から取り出さ
れた液体酸素を、前記熱交換器に供給して蒸発させる液
体酸素ポンプを設けた点にある。また、上塔及び下塔を
備え、供給される原料空気を精留分離する精留塔、及
び、圧縮供給される原料空気を熱交換により冷却する熱
交換器を設け、前記下塔上部から窒素ガスを取出し、断
熱膨張させる膨張機、及び、前記膨張機により駆動さ
れ、熱交換器を通過した原料空気を圧縮する低温昇圧機
を設け、前記上塔下部から取り出された液体酸素を、前
記熱交換器に供給して蒸発させる液体酸素ポンプを設け
てもよい。さらに、前記上塔下部から取出された液体酸
素を、前記熱交換器に供給する前に前記低温昇圧機を経
た原料空気により昇温させるサブクーラを設けてもよ
く、またさらに、前記上塔下部から取出された液体酸素
を、前記熱交換器に供給する前に前記低温昇圧機を経た
原料空気及び前記熱交換器を経た原料空気により昇温さ
れるサブクーラを設けてもよく、第三精留部を設け、前
記上塔下部から取出された液体酸素をさらに精留して前
記酸素ポンプに供給可能に構成してもよい。
【０００６】〔作用効果〕つまり、上塔及び下塔を備
え、供給される原料空気を精留分離する精留塔、及び、
圧縮供給される原料空気（圧縮空気）を熱交換により冷
却する熱交換器を設け、前記上塔下部から取り出された
液体酸素を、前記熱交換器に供給して蒸発させる液体酸
素ポンプを設けてある空気分離装置によると、前記液体
酸素ポンプで昇圧された液体酸素を前記熱交換器で蒸
発、昇温させて、酸素ガスとして取出すことができる。
ここで、熱交換器を通過した昇圧縮空気の一部をさらに
圧縮する低温昇圧機を、残りの昇圧空気を断熱膨張させ
る膨張機により駆動可能に連設してあると、下塔に供給
する昇圧空気を更に圧縮して供給するのに必要となる外
部エネルギーの一部を前記膨張機の駆動エネルギーでま
かなえることになり、少ないエネルギーで下塔に供給す
る昇圧空気を得ることが出来る。前記膨張機駆動用ガス
としては、前記熱交換器から取出される圧縮空気であっ
てもよく、下塔上部から取出される窒素ガスであっても
良い。また、前記昇圧空気としては、別途配管を設け
て、前記熱交換器に供給され中間部で取出されるものを
用いても良いし、前記熱交換器を通過したものを用いて
も良い。また本装置は、上塔下部と液体酸素ポンプとの
間に生じる静圧が、酸素ガスの昇圧に利用される構成と
なっている。
【０００７】また、サブクーラを設けてあれば、液体酸
素ポンプで昇圧された液体酸素と、低温昇圧機で昇圧さ
れ、熱交換器で、再冷却された昇圧空気との熱交換によ
り全体としての熱交換効率を高めることが出来る。つま
り、酸素ガスの昇圧にも貢献する。このサブクーラで
は、前記液体酸素との熱交換をする昇圧空気として、低
温昇圧機で昇圧された後熱交換器で再冷却された昇圧空
気、あるいは、前記昇圧空気及び前記熱交換器を経由し
た圧縮空気が用いられる。
【０００８】また、前記液体酸素ポンプで送られる酸素
を更に精留する第三塔を設けてあれば余剰寒冷を更に純
度を高められた酸素ガスの昇圧に利用できる。
【０００９】また、廃ガス以外に系外に放出されるガス
は全くなくてもよいが、製造すべき低純度酸素ガスの生
産性に影響を与えない程度に、他に、液体窒素等の製品
ガスを生産することもできる。
【００１０】その結果、低純度酸素製造に必要となるエ
ネルギーと、製品としてえられた低純度酸素が受けたエ
ネルギーとの差分を、効率よく回収してさらに低純度酸
素製造に用いることになるから、他の生産物と関わりな
くエネルギー効率よく低純度酸素を供給することができ
るようになった。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１に示すように、本発明の空気
分離装置は、上塔Ａ及び下塔Ｂを備え、供給される原料
空気を精留分離する精留塔、及び、圧縮供給される原料
空気を熱交換により冷却する熱交換器１を設け、前記昇
圧空気（原料空気）の一部分を前記熱交換器１の中間部
から取出し、断熱膨張させる膨張機２、及び、前記膨張
機２により駆動され、熱交換器１を通過した原料空気を
圧縮する低温昇圧機３を設け、前記上塔Ａ下部から取り
出した液体酸素を、前記熱交換器１に供給して蒸発させ
る液体酸素ポンプ７を設けて構成してある。
【００１２】原料空気圧縮機（図外）にて上塔Ａの低純
度酸素（ここでは約８０％）をリボイルするのに必要な
圧力（ここでは、４．４barA）まで圧縮され、前処理設
備で水分・炭酸ガスの不純物を除去された予備圧縮空気
（原料空気）の一部は、空気昇圧機（図外）へと送られ
（原料空気圧縮機とコンバインさせることがのぞまし
い）、製品酸素の純度・圧力にて定まるプロセス上必要
な圧力（６．８barA）まで昇圧され、昇圧空気として熱
交換器１へと送られる。
【００１３】熱交換器１では、原料空気は、向流する低
純度酸素ガス・廃ガスと熱交換し、およそ−１６６℃ま
で冷却される。また、昇圧空気は、その一部が熱交換器
１の中間部よりおよそ−１４７℃にて取出され、膨張タ
ービン２へと送られ、断熱膨張され、さらに冷却された
後、上塔の中部に供給される。残部は−１６６℃に冷却
された後、前記膨張機駆動の低温昇圧機３に導入され、
更に昇圧されて、再び熱交換器１中部に返される。この
昇圧空気は更に冷却されて、さらに、サブクーラで熱交
換を受け、冷却され一部が下塔Ｂ中部へ、残部が過冷却
器５を通って、上塔Ａ中部に供給される。
【００１４】下塔Ｂでは、底部に導入される原料空気と
中間部に導入される液化空気を精留操作にて分離し、塔
頂より液化窒素、塔底より液化酸素富化空気はそれぞれ
前述の過冷却器５を経て環流液として上塔へ送られる。
また、下塔Ｂ頂部に設けられた主蒸発器６では、下塔Ｂ
の窒素と上塔Ａの低純度酸素の熱交換により下塔Ｂの精
留に必要な環流液を発生させるとともに、上塔Ａの精留
に必要なリボイルガスを発生している。上塔Ａでは、塔
頂に液化窒素、その下に液化空気、更にその下に、気体
酸素富化空気と、膨張機２からの低温空気（この導入部
が供給部Ｃに該当する）をそれぞれ導入し、精留操作に
て底部より低純度液化酸素を、塔頂より廃ガスをそれぞ
れ取出す。廃ガスは、過冷却器５に送られ、液化酸素富
化空気・液化空気・液化窒素をそれぞれ過冷却した後、
熱交換器１へ導入され、向流する原料空気と熱交換して
常温にて取出される。底部にて取出された液化低純度酸
素は、ポンプにて必要な圧（４．３barA）まで昇圧さ
れ、サブクーラーへと送られ、昇圧空気と熱交換し、昇
温され熱交換器１へ導入され、向流する原料空気と熱交
換して常温にて取出される。
【００１５】このようにして取出された有圧の低純度酸
素は、従来の装置にて低純度酸素のみを生産する場合に
比べ、４．３barA付近の条件で、エネルギー消費量を約
１０％少なく抑えながら生産することが出来た。
【００１６】先の実施の形態では、低温昇圧機３を経た
昇圧空気をサブクーラーに供給して熱回収を行ったが、
特に無くても良く（図２）、あるいはさらに、予備圧縮
空気との熱交換まで行う形態（図３）であってもよい。
また、膨張機に昇圧空気を供給する形態に替えて、予備
圧縮空気を供給する形態（図４）を採用してもよい。さ
らに、第三精留部Ｘを設け、前記上塔下部から取出され
た液体酸素をさらに精留して前記酸素ポンプに供給可能
に構成してもよい（図５）。尚、前記膨張機に供給する
ガスとしては、下塔Ｂ上部からの窒素ガスを利用するこ
ともできる。（図６）
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の空気分離装置の概略図
【図２】本発明の空気分離装置の異なる形態を示す概略
図
【図３】本発明の空気分離装置の異なる形態を示す概略
図
【図４】本発明の空気分離装置の異なる形態を示す概略
図
【図５】本発明の空気分離装置の異なる形態を示す概略
図
【図６】本発明の空気分離装置の異なる形態を示す概略
図
【図７】従来の空気分離装置の概略図
【符号の説明】
１ 熱交換器 ２ 膨張機 ３ 低温昇圧機 ４ サブクーラー ５ 過冷却器 ６ 主蒸発器 ７ 液体酸素ポンプ Ａ 上塔 Ｂ 下塔

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 上塔及び下塔を備え、供給される原料空
    気を精留分離する精留塔、及び、圧縮供給される原料空
    気を熱交換により冷却する熱交換器を設け、 前記原料空気の一部分を前記熱交換器の中間部から取出
    し、断熱膨張させる膨張機、及び、前記膨張機により駆
    動され、熱交換器を通過した原料空気を圧縮する低温昇
    圧機を設け、 前記上塔下部から取り出された液体酸素を、前記熱交換
    器に供給して蒸発させる液体酸素ポンプを設けた空気分
    離装置。
  2. 【請求項２】 上塔及び下塔を備え、供給される原料空
    気を精留分離する精留塔、及び、圧縮供給される原料空
    気を熱交換により冷却する熱交換器を設け、 前記下塔上部から窒素ガスを取出し、断熱膨張させる膨
    張機、及び、前記膨張機により駆動され、熱交換器を通
    過した原料空気を圧縮する低温昇圧機を設け、 前記上塔下部から取り出された液体酸素を、前記熱交換
    器に供給して蒸発させる液体酸素ポンプを設けた空気分
    離装置。
  3. 【請求項３】 前記上塔下部から取出された液体酸素
    を、前記熱交換器に供給する前に前記低温昇圧機を経た
    原料空気により昇温させるサブクーラを設けた請求項１
    〜２のいずれかに記載の空気分離装置。
  4. 【請求項４】 前記上塔下部から取出された液体酸素
    を、前記熱交換器に供給する前に前記低温昇圧機を経た
    原料空気及び前記熱交換器を経た原料空気により昇温さ
    せるサブクーラを設けた請求項１〜２のいずれかに記載
    の空気分離装置。
  5. 【請求項５】 第三精留部を設け、前記上塔下部から取
    出された液体酸素をさらに精留して前記酸素ポンプに供
    給可能に構成した請求項１〜３のいずれかに記載の空気
    分離装置。
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