JP2003021457A - 内部昇圧式深冷空気分離装置 - Google Patents

内部昇圧式深冷空気分離装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】原料空気量の低減、および原料空気圧力の低減
から装置の電力原単位の削減を実現できるようにした内
部昇圧式深冷空気分離装置を提供することにある。 【解決手段】製品の酸素ガスを生産するために、酸素を
低温液体の状態でポンプ１０により加圧し、昇圧ガスと
熱交換させて中圧酸素ガス３１を発生させる、内部昇圧
式深冷空気分離装置において、上塔７から戻る廃ガス
(廃窒素)のライン３４に低温排気ポンプ１９を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、内部昇圧式深冷空
気分離装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】製品酸素を液体酸素の状態でポンプ等に
より、需要圧まで昇圧する内部昇圧式深冷空気分離装置
の典型図を図１に示す。
【０００３】概略プロセスとして、コールドボックス５
にて深冷分離される原料空気は、まず原料空気圧縮機１
にて大気状態から所定の圧力まで圧縮され、吸着塔ユニ
ット３へ送られる。吸着塔ユニット３において、後流側
の深冷分離過程で固化し、流路閉塞の恐れのあるＣＯ2
や水分を吸着除去した後、コールドボックス吹込弁を介
して、原料空気としてコールドボックス側へ送られる。
なお、２は、原料空気圧縮機１で圧縮された原料空気を
窒素ガスで冷却する前冷却装置である。
【０００４】吸着塔ユニット３は複数基の吸着塔から構
成されており、決められた運転サイクルに従い、各々が
吸着、脱圧、再生、加圧を繰り返えされる。加圧工程で
は、塔内部を再生状態のほぼ大気圧近傍から運転圧(約
４〜５atm)近くまで加圧するが、これには、吸着塔出口
の原料空気自身が使用される。
【０００５】吸着塔３から出た原料空気は、保冷槽(コ
ールドボックス)側へ送られるが、(１)精留塔下塔８へ
送られる原料空気、(２)寒冷発生のための膨張タービン
６へ送られる原料空気、(３)製品の液体酸素を蒸発させ
るための空気昇圧機４による昇圧原料空気、に分流され
る。これらのうち、(１)の原料空気は、保冷槽５内の熱
交換器１３により液化点近くまで冷却された状態で、精
留塔下塔８の下部に送り込まれる。(２)の原料空気は、
タービンコンプレッサにより昇圧されるか、あるいはそ
のままの圧力で、同じく熱交換器１３により温度降下
し、保冷槽５の必要寒冷を発生する膨張タービン６に
て、大気圧近くまで膨張し、精留塔上塔７へ原料空気と
して流入する。
【０００６】保冷槽５内の精留塔７で分離された製品液
体酸素３０は、通常、０．０３ＭＰａ（Ｇ）程度の定圧
の飽和液の状態であるが、これを所定の製品圧力に昇圧
するのに、低温の液体の状態で圧縮する内部昇圧用液体
酸素ポンプ１０が用いられる。液体酸素ポンプ１０にて
所定の圧力に加圧された液体酸素は、その飽和温度より
更に高い飽和温度となる昇圧空気と液体酸素熱交換器１
４により間接的に熱交換されて所定圧力の製品酸素ガス
として蒸発し、更に熱交換器１３により常温まで温度回
復され、より多くの製品酸素ガス３１としてプラントか
ら取り出される。
【０００７】この液体酸素ポンプ１０で加圧された液体
酸素を蒸発させるための流体が上記(３)の昇圧空気であ
る。昇圧空気は、液体酸素熱交換器１４により液体酸素
と熱交換して液化され、精留塔下塔８へ原料液体空気Ｌ
(空気)３３として連続的に供給される。
【０００８】図２には、液体酸素蒸発部９の詳細の１例
を示す。上記システムにおいて、精留塔(上塔)７から注
出された製品液体酸素Ｌ（Ｏ2）３０は、液体酸素ポン
プ１０で、製品圧より少し高い圧力まで加圧され、液体
酸素ドラム９に送られる。液体酸素ドラム９の液部分に
は、製品酸素量ほど蒸発させるための酸素蒸発器（液体
酸素熱交換器）１４が備わっており、液体酸素ドラム９
の内部液相の飽和温度より高い液化温度の状態を持つ昇
圧空気Ｇ（空気）が空気昇圧機４から空気熱交換器１３
を経て酸素蒸発器１４へ導かれる。液体酸素蒸発器１４
において、液体酸素側は蒸発され、逆に昇圧空気側は冷
却→凝縮される。蒸発した酸素は製品ガスＧ（Ｏ2）と
して、空気熱交換器１３を通り、常温に回復され製品酸
素ガス３１として需要側へ送られる。
【０００９】一方、酸素蒸発器１４にて凝縮した昇圧空
気は、昇圧空気過冷却器１５にて更に冷却され、サブク
ールの状態になり、膨張弁を通して精留塔(下塔)８の下
部に原料空気Ｌ（空気）３３として使用される。
【００１０】一般に、製品ガス酸素の圧力、すなわち液
体酸素ドラム９の内部圧力は、空気昇圧機４から供給す
る昇圧空気の流量でＰＩＤ制御される。昇圧空気側の圧
力は空気昇圧機４の吐出圧力には上限があるため、必然
的に、液体酸素蒸発器１４の昇圧空気側の流体の温度
は、運転上あまり変える余地は少ない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】上記の如く、製品の酸
素ガスを生産するために、酸素を低温液体の状態で液体
酸素ポンプにより加圧し、昇圧ガスと熱交換させて中圧
酸素ガスを発生させるための内部昇圧式深冷空気分離装
置において、原料空気圧縮機の運転圧力は、製品組成等
で定まる上塔運転圧によりある程度決まるため、更なる
装置の電力原単位を抜本的に改善しようとする課題には
限界があると考えられていた。
【００１２】本発明の目的は、上記課題を解決すべく、原
料空気量の低減、および原料空気圧力の低減から装置の
電力原単位の削減を実現できるようにした内部昇圧式深
冷空気分離装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、圧縮機にて大気から圧縮され、吸着塔等
にて前処理された空気を原料とし、深冷分離法にて原料
の空気から窒素や酸素等を分離し連続生産するコールド
ボックスを有し、製品となる酸素を液体の状態でポンプ
等を利用し製品圧力まで昇圧する内部昇圧式深冷空気分
離装置、即ち、原料空気を圧縮する原料空気圧縮機と、
該原料空気圧縮機で圧縮された原料空気を前処理する吸
着塔ユニットと、該吸着塔ユニットから送り込まれる原
料空気を液化点近くまで冷却する空気熱交換器と、主凝
縮器により互いに熱交換が行われる下塔と上塔から構成
され、前記空気熱交換器で冷却されて送り込まれた原料
空気から製品液体酸素を深冷状態で精留分離する精留塔
と、該精留塔の上塔の主凝縮器部から採取されて液体酸
素ポンプにより需要圧まで昇圧して送られた製品液体酸
素を蒸発させる液体酸素蒸発部とを備えた内部昇圧式深
冷空気分離装置であって、最終の製品酸素圧力は、液体
酸素ポンプにて昇圧されるため、上塔の運転圧が、製品
圧力以下であってもかまわないことに着目し、主凝縮器
の運転圧力を更に減圧可能な、低温排気装置(単機また
は複数台)を上塔廃ガス(廃窒素または製品窒素)ライン
に設けることにより、上塔の圧力を減圧することを特徴
とする。
【００１４】また、本発明は、前記内部昇圧式深冷空気
分離装置における低温排気装置を、低温排気ポンプで構
成することを特徴とする。
【００１５】また、本発明は、前記内部昇圧式深冷空気
分離装置における低温排気ポンプを、遠心式で構成する
ことを特徴とする。
【００１６】また、本発明は、前記低温排気ポンプを遠
心式で構成する場合、低温流体で機械的な制限から大容
量のものは限界があるので、単機で構成不可能な容量に
対しては、適当な容量の低温排気ポンプを複数台設置し
て構成することを特徴とする。
【００１７】以上説明したように、前記構成によれば、
主凝縮器の蒸発圧力(温度)を従来より低くすることが出
来、下塔の運転圧力を低下出来、その結果、原料空気圧
縮機の吐出圧力を低減でき、さらに精留効率の向上によ
り原料空気量を低減でき、装置の電力原単位を向上する
ことが出来る。
【００１８】また、低温排気ポンプは、低温の状態でガ
スを圧縮するため、常温で圧縮する再生ガスブロワに対
して、少ない動力ですみ、且つ、機器自体も小さくする
ことが出来る。
【００１９】
【発明の実施の形態】本発明に係る内部昇圧式深冷空気
分離装置の実施の形態について、図３および図４を用い
て説明する。
【００２０】まず、本発明に係る内部昇圧式深冷空気分
離装置の基本の実施の形態について図３を用いて説明す
る。即ち、本発明は、原料空気圧縮機１にて大気から圧
縮され、吸着塔３等にて前処理された空気を原料とし、
深冷分離法にて原料の空気から窒素や酸素等を分離し連
続生産するコールドボックス（保冷槽）５を有し、製品
となる酸素を液体の状態で液体酸素ポンプ１０等を利用
し製品圧力まで昇圧する内部昇圧式深冷空気分離装置に
関するものである。
【００２１】そして、精留塔上塔７の底部から注出され
て液体酸素ポンプ１０にて所定の圧力に加圧された液体
酸素は、液体酸素ドラム(液体酸素蒸発部)９において、
その飽和温度より更に高い飽和温度となる昇圧空気と液
体酸素熱交換器１４により間接的に熱交換されて所定圧
力の製品酸素ガスとして蒸発し、更に熱交換器１３によ
り常温まで温度回復され、より多くの製品酸素ガス３１
としてプラントから取り出されることになる。なお、１
１は、窒素ガスの圧力を上げて吸着塔ユニット３に送り
込むための再生ガス加熱装置である。
【００２２】即ち、本発明に係る内部昇圧式の中圧酸素
ガスを取り出すプラントにおいては、製品酸素を深冷状
態で精留分離する精留塔は、下塔(中圧塔)８と上塔(低
圧塔)７から構成され、両者は主凝縮器４０にて互いに
熱交換を行う。この主凝縮器４０には下塔８の上部から
窒素ガスが供給され、液化された窒素は下塔８の上部に
戻される。
【００２３】上記精留塔は、原料空気圧縮機１で圧縮さ
れ、吸着塔ユニット３でＣＯ2や水分等を吸着除去して熱
交換器１３により液化点近くまで冷却されて送り込まれ
た原料空気３７を窒素ガスと酸素分に富んだ液体空気に
精留分離する下塔８と、下塔８の底部より抜出された液
体空気３５および下塔８から抜出された液体不純窒素３
６を過冷却する過冷却器１２と、タービンコンプレッサ
により昇圧されるか、あるいはそのままの圧力で、同じ
く熱交換器１３により温度降下し、必要寒冷を発生する
膨張タービン６にて大気圧近くまで膨張して原料空気３
８として流入し、主凝縮器４０を有し、上記過冷却器１
２で過冷却されて送られてきた液体空気および液体不純
窒素を精留して底部から液体酸素３０を取り出す上塔７
とを備えて構成される。なお、上塔７の頂部から得られ
る窒素ガスは、過冷却器１２において、寒冷の一部を下
塔８からの液体空気および液体不純窒素に渡して過冷却
することになる。そして、これら上塔７と下塔８の圧力
関係は、主凝縮器４０の温度差で決まる飽和温度に相当
する圧力にて運転される。
【００２４】以上説明したように本発明は、内部昇圧式
深冷空気分離装置において、最終の製品酸素圧力は、液
体酸素ポンプ１０にて昇圧されるため、上塔７の運転圧
が、製品圧力以下であってもかまわないことに着目し、
主凝縮器４０の運転圧力を更に減圧可能な、低温排気装
置（低温排気ポンプ）(単機または複数台)１９を上塔廃
ガス(廃窒素または製品窒素)ライン３４に設けることに
より、入力側である上塔７の圧力Ｐ１を減圧したことに
ある。
【００２５】即ち、本発明に係る内部昇圧式深冷空気分
離装置は、上塔７から放出される廃ガス(廃窒素または
製品窒素)ライン３４の過冷却器１２の出口側に、低温
排気ポンプ１９を設置して上塔７の圧力を可能な限り減
圧（例えば０．０１ＭＰａ（Ｇ）程度以下）することに
ある。
【００２６】このように、低温排気装置（低温排気ポン
プ）１９を、上塔７から放出される廃ガス(廃窒素また
は製品窒素)ライン３４に設置して、上塔７の圧力Ｐ１
をシステムが成立するのに可能な限り減圧することによ
り、上塔７の運転圧力(主凝縮器の圧力)により一義的に
決まる下塔８の圧力Ｐ２を低減でき、その結果原料空気
圧縮機１の圧力Ｐｄを下げることが出来、深冷分離装置
としての電力原単位の向上を図ることが可能となる。
【００２７】また、低温排気ポンプ１９を廃ガスライン
３４に設置することにより、精留塔内の運転圧力Ｐ１を
減圧できるので、各成分の沸点差が広がり、上塔７の底
部から注出される液体酸素３０の精留による分離効率を
向上させることが可能となる。言い換えれば、精留圧力
を減圧できるので、少ない原料にて所定の製品分離が可
能となり、収率の観点からも装置の原単位を低減するこ
とができる。
【００２８】なお、上塔７の圧力(低温排気ポンプ１９
の吸入側圧力)Ｐ１は、下塔８から上塔７まで、液体空
気および環流窒素が問題無く上がる圧力差として想定す
る。これには、（Ａ）製品（液体酸素）の純度で決まる
精留塔高さ、（Ｂ）上記のように減圧した上塔/下塔と
の圧力差（Ｐ１−Ｐ２）、（Ｃ）制御弁、配管圧損（上
塔における圧損）の観点から成立する限りの低い圧力に
する低温排気ポンプとする。
【００２９】また、上塔７の圧力を、０．０１ＭＰａ
（Ｇ）程度に下げたとしても、上塔７における圧損ΔＰ
∝１／Ｐに基づいて断面積を僅か増やす程度で解決する
ことができる。
【００３０】また、低温排気ポンプ１９としては、レシ
プロ式よりも、効率および信頼性の点で遠心式が優れて
いる。もし、遠心式の低温排気ポンプ１９を１台、廃ガ
スライン３４に設置しただけでは、容量が不足する場合
には、複数台を、廃ガスライン３４に並列に接続すれば
よい。
【００３１】次に、本発明に係る内部昇圧式深冷空気分
離装置の他の実施の形態について図４を用いて説明す
る。この他の実施の形態は、基本の実施の形態におい
て、更に上塔を減圧するために、低温排気ポンプ１９の
吐き出し側の常温部分に再生ガスブロワ２０を配置して
２段構成にしたものである。このように２段構成にする
ことにより、廃ガス量が比較的多いプロセスに有効とな
ると共に、低温排気ポンプ１９を吐き出し側の圧力を気
にすることなく、簡単な設計で済ませることが可能とな
る。即ち、再生ガスブロワ２０を設置することによっ
て、吸着塔３へ送り込むのに十分な窒素ガスの圧力を得
ることが可能となる。なお、再生ガスブロワ２０を設置
することによって、出力される窒素ガスの温度が上昇さ
れるので、クーラーをつけることによって、温度上昇を
低減することが可能となる。
【００３２】
【発明の効果】本発明によれば、内部昇圧式の深冷空気
分離装置において、廃ガス(廃窒素)ラインに低温排気ポ
ンプを設けることにより、上塔運転圧を減圧し、主凝縮
器の温度を下げ、下塔運転圧を低下させ、その結果、原
料空気圧縮機の運転圧力の低下および低圧精留による精
留効率の向上に基づいて、原料空気圧縮機の吐出圧の低
下および原料空気量の低減を図り、装置の電力原単位を
低減することが可能となる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の内部昇圧式深冷空気分離装置の回路構成
を示す図である。
【図２】酸素蒸発部の回路構成を示す図である。
【図３】本発明に係る内部昇圧式深冷空気分離装置の基
本の実施の形態の回路構成を示す図である。
【図４】本発明に係る内部昇圧式深冷空気分離装置の別
の実施の形態の回路構成を示す図である。
【符号の説明】
１…原料空気圧縮機、２…前冷却装置、３…吸着塔ユニ
ット、４…空気昇圧機、５…コールドボックス(保冷
槽)、６…膨張タービン、７…精留塔(上塔)、８…精留
塔(上塔)、９…液体酸素ドラム（液体酸素蒸発部）、１
０…内部昇圧用液体酸素ポンプ、１１…再生ガス過熱装
置、１２…過冷却器、１３…空気熱交換器、１４…液体
酸素熱交器（液体酸素蒸発器）、１５…昇圧空気過冷却
器、１９…低温排気装置（低温排気ポンプ）、２０…再
生ガスブロワ、４０…主凝縮器。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】原料空気を圧縮する原料空気圧縮機と、該
    原料空気圧縮機で圧縮された原料空気を前処理する吸着
    塔ユニットと、該吸着塔ユニットから送り込まれる原料
    空気を液化点近くまで冷却する空気熱交換器と、主凝縮
    器により互いに熱交換が行われる下塔と上塔から構成さ
    れ、前記空気熱交換器で冷却されて送り込まれた原料空
    気から製品液体酸素を深冷状態で精留分離する精留塔
    と、該精留塔の上塔の主凝縮器部から採取されて液体酸
    素ポンプにより需要圧まで昇圧して送られた製品液体酸
    素を蒸発させる液体酸素蒸発部とを備えた内部昇圧式深
    冷空気分離装置であって、 前記精留塔の上塔に接続された廃窒素または製品窒素ラ
    インに低温排気装置を設け、該低温排気装置により前記
    精留塔の上塔の運転圧を下げるように構成したことを特
    徴とする内部昇圧式深冷空気分離装置。
  2. 【請求項２】原料空気を圧縮する原料空気圧縮機と、該
    原料空気圧縮機で圧縮された原料空気を前処理する吸着
    塔ユニットと、該吸着塔ユニットから送り込まれる原料
    空気を液化点近くまで冷却する空気熱交換器と、該空気
    熱交換器で冷却されて送り込まれた原料空気から深冷分
    離法によって窒素や酸素に分離して連続生産するよう
    に、主凝縮器により互いに熱交換が行われる中圧の下塔
    と低圧の上塔から構成された精留塔と、該精留塔の上塔
    の主凝縮器部から採取されて液体酸素ポンプにより需要
    圧まで昇圧して送られた製品液体酸素を蒸発させる液体
    酸素蒸発部とを備えた内部昇圧式深冷空気分離装置であ
    って、 前記精留塔の上塔に接続された廃窒素または製品窒素ラ
    インに低温排気装置を設け、該低温排気装置により前記
    精留塔の上塔の運転圧を下げるように構成したことを特
    徴とする内部昇圧式深冷空気分離装置。
  3. 【請求項３】原料空気を圧縮する原料空気圧縮機と、該
    原料空気圧縮機で圧縮された原料空気を前処理する吸着
    塔ユニットと、該吸着塔ユニットから送り込まれる原料
    空気を液化点近くまで冷却する空気熱交換器と、該空気
    熱交換器で冷却されて送り込まれた原料空気から深冷分
    離法によって窒素や酸素に分離して連続生産するよう
    に、主凝縮器により互いに熱交換が行われる中圧の下塔
    と低圧の上塔から構成された精留塔と、内部液相の飽和
    温度より高い液化温度の状態を持つ昇圧空気が導かれる
    酸素蒸発器を液部分に備え、前記精留塔の上塔の主凝縮
    器部から採取されて液体酸素ポンプにより需要圧まで昇
    圧して送られた製品液体酸素を蒸発させる液体酸素蒸発
    部とを備えた内部昇圧式深冷空気分離装置であって、 前記精留塔の上塔に接続された廃窒素または製品窒素ラ
    インに低温排気装置を設け、該低温排気装置により前記
    精留塔の上塔の運転圧を下げるように構成したことを特
    徴とする内部昇圧式深冷空気分離装置。
  4. 【請求項４】前記低温排気装置を低温排気ポンプによっ
    て構成したことを特徴とする請求項１または２または３
    記載の内部昇圧式深冷空気分離装置。
  5. 【請求項５】再生ガスブロワを常温側に前記低温排気ポ
    ンプに直列に接続して構成したことを特徴とする請求項
    ４記載の内部昇圧式深冷空気分離装置。
  6. 【請求項６】前記低温排気ポンプを複数台前記廃窒素ま
    たは製品窒素ラインに対して並列に設け、最適な低温排
    気流量を制御可能としたことを特徴とする請求項４記載
    の内部昇圧式深冷空気分離装置。
  7. 【請求項７】前記低温排気ポンプを遠心式で構成するこ
    とを特徴とする請求項４記載の内部昇圧式深冷空気分離
    装置。
  8. 【請求項８】請求項１または２または３記載の内部昇圧
    式深冷空気分離装置において、前記空気熱交換器で冷却
    された原料空気を大気圧近くまで膨張させて寒冷を発生
    させて前記精留塔の上塔に流入する膨張タービンを備え
    たことを特徴とする内部昇圧式深冷空気分離装置。
  9. 【請求項９】請求項１または２または３記載の内部昇圧
    式深冷空気分離装置において、下塔から抜出された液体
    空気および液体不純窒素を、上塔から得られる窒素ガス
    の寒冷の一部を渡すことにより過冷却して上塔に送り込
    む過冷却器を備えたことを特徴とする内部昇圧式深冷空
    気分離装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016080296A (ja) * 2014-10-20 2016-05-16 新日鐵住金株式会社 深冷空気分離装置及び深冷空気分離方法
CN114688828A (zh) * 2022-04-25 2022-07-01 西安热工研究院有限公司 一种基于lng冷能利用的空气分离装置及系统

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