JP2003166783A - 深冷空気分離装置 - Google Patents

深冷空気分離装置

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JP2003166783A JP2001368199A JP2001368199A JP2003166783A JP 2003166783 A JP2003166783 A JP 2003166783A JP 2001368199 A JP2001368199 A JP 2001368199A JP 2001368199 A JP2001368199 A JP 2001368199A JP 2003166783 A JP2003166783 A JP 2003166783A
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純 吉田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】装置構成を簡素化して、０．０２〜０．０８Ｍ
Ｐａ（Ｇ）程度の中圧に昇圧した製品酸素ガスとして需
要側に取り合うことのできる深冷空気分離装置を提供す
ることにある。 【解決手段】深冷空気分離装置であって、精留塔７から
酸素をガスの状態で抜き出し、空気熱交換器１３で常温
付近まで温度回復させ、膨張タービン６の常温側のブレ
ーキに酸素ブロワ１６の機能を持たせて、酸素ガスを目
的の製品圧力まで昇圧する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、製品酸素等の製品
ガスの圧力を精留塔上塔の運転圧から上げることが必要
なプラントを構成することができる深冷空気分離装置に
関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば、製品酸素を液体酸素の状態で精
留塔から取り出し、液ポンプ等により、ある程度の圧力
まで昇圧し液体酸素分離器に供給し、より温度の高い高
温流体と熱交換することにより所定の製品酸素を発生さ
せる内部昇圧式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
(保冷槽)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空気前冷却装置である。
【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、加圧が繰り返される。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、コールドボ
ックス(保冷槽)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内の空気熱交換器１
３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、同じく空気熱交換器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１４により間接的
に熱交換することにより、所定圧力の製品ガスとして蒸
発し、更に空気熱交換器１３により常温まで温度回復さ
れ、製品酸素ガス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
素と熱交換し液化され、精留塔下塔８へ原料空気(液体)
として連続的に供給される。
【０００８】次に、液体酸素蒸発部９の詳細について説
明する。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３０は、液体酸素ポンプ１０
で、製品圧よりも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の液相部分に
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３１が空気昇圧器４から空気熱交換器１３を経て
液体酸素蒸発器１４へ導かれる。液体酸素蒸発器１４に
おいて、液酸素側は蒸発され、逆に昇圧空気側は冷却さ
れて凝縮される。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ガ
ス３２として需要側に送られる。
【０００９】この、内部昇圧式の空気分離プロセスで
は、液体酸素分離器９の内部の液体酸素を蒸発させるの
に、原料空気または、原料空気を外部の昇圧機を用いて
昇圧させた「昇圧空気」が使われる。このため、昇圧空
気を生成するための空気昇圧機４や熱交換器１３等の関
連常温機器、また、液体酸素系統の、液体酸素ポンプ１
０、液体酸素分離器９、酸素熱交換器１４等の深冷機器
が必要となり、保冷槽５の内部が非常に複雑となってい
た。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】上記のごとき、内部昇
圧式の深冷空気分離装置では、液体酸素を蒸発させる系
統や、昇圧空気の系統の機器、弁、計装、制御と非常に
複雑になり、プラントコスト高の一因となっていた。
【００１１】また、運転においても、プラントの一時停
止等において、液体酸素ドラム内部に液体酸素を滞留さ
せた状態、いわゆる「寒冷待機」の状態で、液体酸素側
の状態が、停止時間やその前の運転条件(純度等)によ
り、一定状態でないことから、起動に時間がかかる課題
があった。
【００１２】本発明の目的は、上記課題を解決すべく、
装置構成を簡素化して、０．０２〜０．０８ＭＰａ
（Ｇ）程度に昇圧した製品ガスとして需要側に取り合う
ことのできる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、製品酸素等を精留塔の上塔(低圧塔)から
ガスの状態で取り出し、空気熱交換器で温度回復させた
後、膨張タービンの常温側のブレーキファンを製品ガス
を昇圧するガスブロワとして使用する。そして、該ガス
ブロワで、所定の圧力に昇圧した後、製品ガスとして需
要側と取り合う。
【００１４】即ち、本発明は、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、該吸着塔ユニットで前
処理された空気を原料として送り込まれ、該送り込まれ
た原料の空気から深冷分離法にて窒素や酸素等を分離連
続生産する精留塔と前記送り込まれた原料の空気を断熱
膨張させて前記精留塔へ流入させる寒冷を発生させるた
めの膨張タービンとを有するコールドボックスとを備え
た深冷空気分離装置であって、製品をガスの状態で前記
精留塔から取り出し、該取り出された製品ガスを前記膨
張タービンに設けたブレーキ用ガスブロワにて昇圧する
ことにより、所定の圧力にして需要側に送り出すように
構成したことを特徴とする。
【００１５】また、本発明は、前記深冷空気分離装置に
おいて、更に、前記ガスブロワで昇圧された製品ガスの
吐出圧力を計測する圧力計と、前記精留塔の主コンデン
サにおける液面を計測する液面計と、前記膨張タービン
の原料空気を入力する側に設けられたタービン入口制御
弁と、前記圧力計で計測されるガスブロワ側吐出圧力に
応じたＰＩＤ演算値と前記液面計で計測される液面に応
じたＰＩＤ演算値とにおいて高い方の値を選択し、該選
択されたＰＩＤ演算値に基づいて前記タービン入口制御
弁を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１６】また、本発明は、前記深冷空気分離装置に
おいて、更に、前記制御手段で制御した結果、寒冷が余
剰となった場合には主コンデンサにおける液を液体ブロ
ーラインに流して液面を制御するように構成したことを
特徴とする。また、本発明は、前記深冷空気分離装置に
おいて、前記液体ブローラインに流した製品液体を製品
ガスに変換して前記需要側に送り出すように構成したこ
とを特徴とする。また、本発明は、前記深冷空気分離装
置において、前記ガスブロワの入力側に圧力調整弁を設
けたことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】本発明に係る深冷空気分離装置の
実施の形態について図２および図３を用いて説明する。
【００１８】即ち、本発明に係る深冷空気分離装置（プ
ラント）は、原料空気を圧縮する原料空気圧縮機１と、
該原料空気圧縮機１で圧縮された原料空気を前処理する
吸着塔ユニット３と、該吸着塔ユニット３で前処理され
た空気を原料として送り込まれ、該送り込まれた原料の
空気から深冷分離法にて窒素や酸素等を分離連続生産す
る精留塔７、８と前記送り込まれた原料の空気を断熱膨
張させて前記精留塔へ流入させる寒冷を発生させるため
の膨張タービン６とを有するコールドボックス（保冷
槽）５を有し、製品酸素等の製品ガスの圧力を精留塔上
塔の運転圧から上げることが必要なプラントに適用され
る。
【００１９】本発明に係る０．０２〜０．０８ＭＰａ
（Ｇ）程度に昇圧した製品ガスとして需要側に取り合う
ことのできる深冷空気分離装置（プラント）において、
製品ガス（例えば製品酸素）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。な
お、製品ガスの圧力としては、０．０２〜０．０８ＭＰ
ａ（Ｇ）程度よりも高い方が望ましいが、ガスブロワ１
６で昇圧できる範囲から０．０２〜０．０８ＭＰａ
（Ｇ）程度にした。
【００２０】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
空気熱交換器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の底部より抜き出
された液体空気３５および下塔８から抜き出された液体
不純窒素３６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、同じく空気熱交換器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断熱
膨張して原料空気３８として流入し、主凝縮器（主コン
デンサ）４０を有し、上記過冷却器１２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。
【００２１】その結果、上塔７からは０．０３ＭＰａ
（Ｇ）程度の製品ガス（例えば製品酸素）が得られるこ
とになる。しかし、保冷槽５の出口からは更に製品ガス
圧は低下することになる。
【００２２】なお、１１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。
【００２３】次に、本発明に係る深冷空気分離装置の基
本の実施の形態について説明する。即ち、図２及び図３
に示すように、０．０３ＭＰａ（Ｇ）程度の製品ガス
（例えば製品酸素）３９を精留塔の上塔（低圧塔）７か
らガスの状態で取り出し、空気熱交換器１３で温度回復
させた後、膨張タービン６の常温側（片側）のブレーキ
ファンを、製品ガス（例えば製品酸素）３９を昇圧する
ためのガスブロワ１６として使用する。即ち、ガスブロ
ワ１６は、製品となるガス（例えば酸素）の圧力が、精
留塔（上塔７）の運転圧力より高い圧力レベルで取り合
うことができるように、膨張タービン６の回転力を受け
て製品ガス４０を圧力比で１．３６〜１．６程度に昇圧
するものである。このように、製品となるガス（例えば
酸素）の圧力が、精留塔（上塔７）の運転圧力より高い
圧力レベルで取り合うことが要求されたプラントにおい
て、精留塔７から製品ガス（製品酸素等）をガスの状態
で取り出し、この取り出された製品ガスを、寒冷発生の
ための膨張タービン６の片側に設けたブレーキ用ガスブ
ロワ１６にて昇圧することにより、所定の圧力にして需
要側に送り出すことができる。
【００２４】これにより、液体酸素を高温流体を使って
蒸発させるための設備である、空気昇圧機４、液体酸素
分離器９、酸素熱交換器１４、液体酸素ポンプ１０、昇
圧空気過冷却器１５の機器は不要になると同時に、関連
した保冷槽内部の深冷配管(液体酸素関係の配管、およ
び昇圧空気関係の配管)、弁・計装類が不要となる。空
気熱交換器の流路構成も単純化することが出来、保冷槽
内部機器・配管・弁を大幅に削減することが出来る。
【００２５】ところで、ガスブロワ１６で昇圧する製品
ガス（例えば酸素ガス）は、目的の圧力に制御する必要
があるが、ガスブロワ１６自体が深冷側の膨張タービン
６の負荷により決まるので、膨張タービン側の負荷を常
に一定以上かける運転が必要となる。そのために、膨張
タービンの原料空気を入力する側に設けられたタービン
入口制御弁４２と、圧力計４３で計測されるガスブロワ
側吐出圧力に応じたＰＩＤ演算値と液面計４７で計測さ
れる液面に応じたＰＩＤ演算値とにおいて高い方の値を
選択し、該選択されたＰＩＤ演算値に基づいてタービン
入口制御弁４２を制御するプロセッサ等で構成される制
御手段４６とを備えて構成する。
【００２６】このように構成することによって、圧力計
４３で計測されるガスブロワ側出口の吐出圧力からくる
ＰＩＤ演算値（比例、積分、および微分の３つの基本演
算を用いて吐出圧力目標値と吐出圧力現在値との差で制
御量として示される演算値）と、液面計４７で計測され
る主コンデンサの液面制御のＰＩＤ演算値（比例、積
分、および微分の３つの基本演算を用いて液面目標値と
液面現在値との差で制御量として示される演算値）の高
い方の値を制御手段（制御装置）４６で選択してタービ
ン入口制御弁４２を制御することによって、膨張タービ
ン６に負荷をかけてガスブロワ側の昇圧された吐出圧力
を確保することができる。即ち、ガスブロワ側出口の圧
力が低い場合および主コンデンサ４０の液面が低い場合
には、タービン入口制御弁４２を開口量が多くなるよう
に制御して膨張タービン６に負荷を増大させてガスブロ
ワ側の昇圧する圧力を確保することができる。
【００２７】なお、ガスブロワ（酸素ブロワ）１６の入
口制御弁（圧力調整弁）４４は、圧力計（ＰＴ）４３で
計測される圧力に応じて単に圧力を自動調整するもので
ある。しかし、入口制御弁４４を調整することによっ
て、結果的に流量も変わることになる。さらに、５２
は、例えば、圧力等が高すぎた場合においてバイパスさ
せるためのバイパス弁である。
【００２８】逆に、余剰となる寒冷の結果として生じる
主コンデンサ４０の余剰液面は、液体ブローライン３０
に設けられた制御弁４８に主コンデンサ４０の液面制御
機能を持たせることにより、一定値に保つことで寒冷調
整を行う。
【００２９】なお、余剰となった僅かの酸素等の液体を
液体ブローライン３０に流すことが生じた場合、蒸発器
４９でガス化して圧力計５０で制御される制御弁５１を
介して製品ガス（例えば製品酸素）として需要側に提供
することができる。その結果、余剰となった僅かの酸素
等の液体を廃棄することなく、有効に活用することが可
能となる。
【００３０】以上説明したように本発明の実施の形態に
よれば、従来の内部昇圧式空気分離装置における、空気
昇圧機、液体酸素分離器、酸素熱交換器、液体酸素ポン
プ、昇圧空気過冷却器の機器を無くし、関連した保冷槽
内部の深冷配管(液体酸素関係の配管、および昇圧空気
関係の配管)、弁・計装類が省略出来ると同時に、空気
熱交換器の流路構成も単純化され、装置のコストを低減
することが出来る。
【００３１】また、本発明の実施の形態によれば、常に
ガス状態の酸素が精留塔から取り出されるため、従来の
液蒸発過程の起動時間を短縮することが出来る。
【００３２】
【発明の効果】本発明によれば、装置構成を簡素化し
て、０．０２〜０．０８ＭＰａ（Ｇ）程度に昇圧した製
品ガスとして需要側に取り合うことのできる深冷空気分
離装置を実現することができる効果を奏する。
【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における回
路構成を示す図である。
【図２】本発明に係るタービン一体式のガスブロワを備
えた深冷空気分離装置の回路構成を示す図である。
【図３】本発明に係るタービン一体式のガスブロワを備
えた深冷空気分離装置における制御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、６…膨
張タービン、７…精留塔（上塔）、８…精留塔（下
塔）、１２…過冷却器、１３…空気熱交換器、１６…ブ
レーキ用ガスブロワ、１７…液体ブローライン、３０…
液体ブローライン、３９…製品ガス（製品酸素ガス）、
４０…主凝縮器（主コンデンサ）、４２…タービン入口
制御弁、４３…圧力計（ＰＴ）、４４…入口制御弁（圧
力調整弁）、４６…制御手段（制御装置）、４７…液面
計、４８…制御弁、４９…蒸発器、５０…圧力計、５１
…制御弁、５２…バイパス弁。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4D047 AA08 AB01 AB02 BA03 BB03 CA17 DA06 DB05 EA03 4G042 BA13 BB02

Claims (5)

    【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、該吸着塔ユニットで前処理された空気を
    原料として送り込まれ、該送り込まれた原料の空気から
    深冷分離法にて窒素や酸素等を分離連続生産する精留塔
    と前記送り込まれた原料の空気を断熱膨張させて前記精
    留塔へ流入させる寒冷を発生させるための膨張タービン
    とを有するコールドボックスとを備えた深冷空気分離装
    置であって、 製品をガスの状態で前記精留塔から取り出し、該取り出
    された製品ガスを前記膨張タービンに設けたブレーキ用
    ガスブロワにて昇圧することにより、所定の圧力にして
    需要側に送り出すように構成したことを特徴とする深冷
    空気分離装置。
  2. 【請求項２】更に、前記ガスブロワで昇圧された製品ガ
    スの吐出圧力を計測する圧力計と、前記精留塔の主コン
    デンサにおける液面を計測する液面計と、前記膨張ター
    ビンの前記原料空気を入力する側に設けられたタービン
    入口制御弁と、前記圧力計で計測されるガスブロワ側吐
    出圧力に応じたＰＩＤ演算値と前記液面計で計測される
    液面に応じたＰＩＤ演算値とにおいて高い方の値を選択
    し、該選択されたＰＩＤ演算値に基づいて前記タービン
    入口制御弁を制御する制御手段とを備えたことを特徴と
    する請求項１記載の深冷空気分離装置。
  3. 【請求項３】更に、前記制御手段で制御した結果、寒冷
    が余剰となった場合には主コンデンサにおける液を液体
    ブローラインに流して液面を制御するように構成したこ
    とを特徴とする請求項２記載の深冷空気分離装置。
  4. 【請求項４】前記液体ブローラインに流した製品液体を
    製品ガスに変換して前記需要側に送り出すように構成し
    たことを特徴とする請求項３記載の深冷空気分離装置。
  5. 【請求項５】前記ガスブロワの入力側に圧力調整弁を設
    けたことを特徴とする請求項１または２記載の深冷空気
    分離装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005273959A (ja) * 2004-03-23 2005-10-06 Kobe Steel Ltd 深冷空気分離装置およびその運転方法
CN112229143A (zh) * 2020-10-29 2021-01-15 浙江智海化工设备工程有限公司 一种通过低温精馏分离空气来生产氧气及氮气的装置及方法

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