JP2004085032A - 空気分離装置の冷却方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】従来に比べて製品ガスの収量の低下をなくすことで原料空気量を減らしてその圧縮動力を低減すること。
【解決手段】原料空気を圧縮し吸着精製装置２で浄化して保冷箱３内に導き、この圧縮、浄化された原料空気を主熱交換器４で冷却し高圧蒸留塔６に導入して富酸素液体空気と液体窒素とに分離し、これらを低圧蒸留塔７に導入して酸素と窒素とに蒸留分離する空気分離装置において、低圧蒸留塔７から導出した排窒素ガスの全部又はその一部を、加熱して膨張タービン１３に導く第１工程と、この導かれた排窒素ガスを膨張タービン１３で膨張、減圧することにより、保冷箱３内を冷却し低温に維持するための寒冷を発生させる第２工程と、膨張タービン１３からの排窒素ガスを主熱交換器４で常温近傍まで加熱し、再生用ガスとして吸着精製装置２に導く第３工程とを含む空気分離装置の冷却方法。
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原料空気から窒素、酸素などを製品として採取する空気分離装置の冷却方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
空気分離装置は、圧縮、浄化、冷却した原料空気を低温蒸留することにより、原料空気から窒素、酸素などを製品として採取する装置である。ここで、高圧式の空気分離装置は、原料空気を高圧化して低圧蒸留塔において操作圧力（蒸留圧力）が高い圧力で蒸留分離が行われるものであり、原料空気を０．７〜１．７ＭＰａＧ（ゲージ圧力）の範囲における設定値に昇圧するようにしたものである。高圧式の空気分離装置は、原料空気を高圧化することにより、その機器及び配管類がコンパクトになって省スペース化が図れるという利点がある。また、原料空気を高圧化することにより、保冷箱から取り出される製品である酸素（ガス酸素）や窒素（ガス窒素）の圧力を高くすることができ、酸素圧縮機や窒素圧縮機の吸い込み圧力が高いためそれらの所要動力を大幅に低減することができるという利点がある。
【０００３】
図６は高圧式の空気分離装置の従来例を示すプロセスフロー図である。まず、原料空気は、空気圧縮機７１により、０．７〜１．７ＭＰａＧの範囲内における設定値にて圧縮され、吸着精製装置７２によって浄化された後、保冷箱（保冷槽）７３内に導入される。保冷箱７３内には、主熱交換器７４、寒冷発生用の膨張タービン８３、高圧蒸留塔（精留塔下塔）７６と低圧蒸留塔（精留塔上塔）７７からなる精留塔７５及び過冷却器７９などの主要な構成機器が収納されている。前記吸着精製装置７２は、圧縮された原料空気中の水分、二酸化炭素及び炭化水素などの不純物を吸着除去するためのものであり、内部に水分吸着用のアルミナゲルや、二酸化炭素吸着用のゼオライトなどの吸着材の充填された複数の吸着塔により構成されている。これらの吸着塔は、適宜切り換え運転されるようになっており、休止中の吸着塔内の前記吸着材が後述する再生用ガスによって再生されるようになっている。圧縮された原料空気は、このような吸着精製装置７２を通過することにより、水分、二酸化炭素及び炭化水素などの不純物が吸着除去される。
【０００４】
前記圧縮、浄化された原料空気は、主熱交換器７４で空気液化温度近傍まで冷却され、管路１０１を経て高圧蒸留塔７６の底部に導入される。また、前記主熱交換器７４に導入された原料空気の一部は、主熱交換器７４中部（中間部）から管路１０２に分岐して膨張タービン８３に導かれ、膨張タービン８３を回転させることによって膨張、減圧され、管路１０３を経て低圧蒸留塔７７中部に導入される。寒冷発生用の膨張タービン８３の回転軸には、膨張タービン８３が生成する回転エネルギを吸収させるための発電機あるいは空気ブロワー（圧縮機）、又は油圧式負荷装置などが装備、連結されており、膨張タービン８３の回転により前記原料空気が断熱膨張して、保冷箱７３内を冷却し低温に維持して装置の運転に必要な寒冷を発生させるようになっている。
【０００５】
さて、圧縮、浄化、冷却されて高圧蒸留塔７６に導入された原料空気は、ここで、酸素３０〜５０％を含む富酸素液体空気と液体窒素とに分離される。すなわち、窒素ガスは高圧蒸留塔７６頂部に蓄積され、液体空気は高圧蒸留塔７６底部に蓄積される。高圧蒸留塔７６頂部の窒素ガスは、低圧蒸留塔７７底部の主凝縮器７８で液体酸素との熱交換によって液化され、液化された窒素は還流液として高圧蒸留塔７６頂部に戻される。そして、富酸素液体空気は、高圧蒸留塔７６底部から管路１０４に導出され、過冷却器７９で冷却され、さらに減圧弁８０により低圧蒸留塔７７の操作圧力とほぼ等しい圧力まで減圧された後、低圧蒸留塔７７中部に導入される。一方、液体窒素は、高圧蒸留塔７６頂部から管路１０５に導出され、過冷却器７９で冷却され、さらに減圧弁８１により低圧蒸留塔７７の操作圧力とほぼ等しい圧力まで減圧された後、還流液として低圧蒸留塔７７頂部に供給される。このようにして、空気圧縮機７１によって圧縮された原料空気は、その全量が低圧蒸留塔７７に供給されることになる。
【０００６】
低圧蒸留塔７７では、供給される前記富酸素液体空気及び液体窒素から酸素（製品酸素ガス）と窒素（製品窒素ガス）の蒸留分離が行われる。この製品酸素ガスは、低圧蒸留塔７７底部から管路１０６に導出され、主熱交換器７４で常温まで加熱（加温）された後、保冷箱７３外部に導出される。また、製品窒素ガスは、低圧蒸留塔７７頂部から管路１０７に導出され、過冷却器７９を経て主熱交換器７４に導入され、常温まで加熱された後に保冷箱７３外部に導出される。また、排窒素ガスは、低圧蒸留塔７７上部から管路１０８に導出され、減圧弁８２により０．０１〜０．０５ＭＰａＧまで減圧された後、過冷却器７９を経て主熱交換器７４に導入され、常温まで加熱された後に、その一部が管路１０９を経て吸着精製装置７２の再生用ガスとして用いられ、それ以外の残部は管路１１０を経て大気中に放出されようになっている。
【０００７】
図７は高圧式の空気分離装置の他の従来例を示すプロセスフロー図である。ここで、前記図６に示す空気分離装置との相違点は寒冷を発生させる構成にあるので、この点について説明し、図７では前記図６の構成と同一部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【０００８】
図７に示すように、この空気分離装置では、吸着精製装置７２からの原料空気の一部は、保冷箱７３外部に配され、膨張タービン８３に連動している圧縮機（ブロワー）８４に供給されて昇圧され、しかる後、主熱交換器７４を通って冷却されて主熱交換器７４中部より抜き出されて膨張タービン８３へ導かれる。そして、膨張タービン８３に供給された原料空気は、膨張タービン８３を回転させることによって膨張、減圧して寒冷を発生させ、膨張タービン８３から管路１０３を経て低圧蒸留塔７７の中部に導入されるようになっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前述した前者の従来装置では、寒冷発生用の膨張タービン８３からの原料空気を低圧蒸留塔７７中部に導入するようにしたものであるから、低圧蒸留塔７７の操作圧力が０．０２〜０．０６ＭＰａＧの範囲の低い圧力で操作されるものに比べて、０．１〜０．５ＭＰａＧの範囲の高い圧力で操作される高圧式の空気分離装置においては、低圧蒸留塔７７の操作条件が悪化して、製品酸素ガス、製品窒素ガスの収量がやや減少するという欠点があった。この収量減少傾向は、膨張タービンの流量比率が高くなるほど大きくなるという問題もある。
【００１０】
また、吸着精製装置７２の再生用ガスについては、その所要量として原料空気量の１０〜５０％程度が必要であり、その圧力は０．０１〜０．０５ＭＰａＧ程度と低い方が望ましい。このため、前者の従来装置では、高圧式の空気分離装置であることから、低圧蒸留塔７７から導出される排窒素ガスをその圧力を減圧弁８２で減圧して吸着精製装置７２の再生用ガスとして用いるようにしているので、このような減圧によって、排窒素ガスの保有する圧力エネルギが、有効利用されることなく無為に消滅させられている。
【００１１】
次に前記後者の従来装置では、寒冷を発生させるに際し、前記前者の従来装置に比べて、膨張タービン８３に送り込まれる原料空気の圧力が高いため、単位空気流量あたりの冷熱発生量が増加するため、所要膨張タービン流量を減らすことができる。その結果、低圧蒸留塔７７中部に導入される空気量を減らすことで蒸留条件が多少改善されるものの、依然として、製品酸素ガス、製品窒素ガスの収量がやや減少するという欠点があった。そして、この後者の従来装置では、前記前者の従来装置と同様に、低圧蒸留塔７７から導出される排窒素ガスの保有する圧力エネルギが、有効利用されることなく無為に消滅させられていた。
【００１２】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、高圧式の空気分離装置において、低圧蒸留塔から導出したガスをその圧力エネルギを有効利用すべく膨張タービンに導いて、保冷箱内を冷却し低温に維持するための寒冷発生と、吸着精製装置への再生用ガスの供給とを行うようにすることにより、従来に比べて製品ガスの収量の低下をなくすことで原料空気量を減らしてその圧縮動力を低減でき、空気分離装置全体としての所要動力を減らして装置運転コストを下げることができるようにした、空気分離装置の冷却方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本願発明では次の技術的手段を講じている。請求項１の発明は、空気圧縮機によって原料空気を圧縮し、圧縮された原料空気を吸着精製装置によって浄化し、この浄化された原料空気を、主熱交換器、高圧蒸留塔と低圧蒸留塔からなる精留塔及び寒冷発生用の膨張タービンなどを収納する保冷箱内に導き、この保冷箱内において、前記圧縮、浄化された原料空気を前記主熱交換器によって冷却し、この冷却された原料空気を前記高圧蒸留塔に導入して富酸素液体空気と液体窒素とに分離し、前記富酸素液体空気と前記液体窒素とを前記低圧蒸留塔に導入して酸素と窒素とに蒸留分離する空気分離装置において、
前記低圧蒸留塔から導出した排窒素ガスの全部又はその一部を、加熱して前記膨張タービンに導く第１工程と、この導かれた排窒素ガスを前記膨張タービンによって膨張、減圧することにより、前記保冷箱内を冷却し低温に維持するための寒冷を発生させる第２工程と、前記膨張タービンからの排窒素ガスを前記主熱交換器によって常温近傍まで加熱し、再生用ガスとして前記吸着精製装置に導く第３工程とを含むことを特徴とする空気分離装置の冷却方法である。
【００１４】
請求項２の発明は、空気圧縮機によって原料空気を圧縮し、圧縮された原料空気を吸着精製装置によって浄化し、この浄化された原料空気を、主熱交換器、高圧蒸留塔と低圧蒸留塔からなる精留塔及び寒冷発生用の膨張タービンなどを収納する保冷箱内に導き、この保冷箱内において、前記圧縮、浄化された原料空気を前記主熱交換器によって冷却し、この冷却された原料空気を前記高圧蒸留塔に導入して富酸素液体空気と液体窒素とに分離し、前記富酸素液体空気と前記液体窒素とを前記低圧蒸留塔に導入して酸素と窒素とに蒸留分離する空気分離装置において、前記低圧蒸留塔から導出した製品酸素ガスの全部又はその一部を、加熱して前記膨張タービンに導く第１工程と、この導かれた製品酸素ガスを前記膨張タービンによって膨張、減圧することにより、前記保冷箱内を冷却し低温に維持するための寒冷を発生させる第２工程と、前記膨張タービンからの製品酸素ガスを前記主熱交換器によって常温近傍まで加熱し、再生用ガスとして前記吸着精製装置に導く第３工程とを含むことを特徴とする空気分離装置の冷却方法である。
【００１５】
請求項３の発明は、空気圧縮機によって原料空気を圧縮し、圧縮された原料空気を吸着精製装置によって浄化し、この浄化された原料空気を、主熱交換器、高圧蒸留塔と低圧蒸留塔からなる精留塔及び寒冷発生用の膨張タービンなどを収納する保冷箱内に導き、この保冷箱内において、前記圧縮、浄化された原料空気を前記主熱交換器によって冷却し、この冷却された原料空気を前記高圧蒸留塔に導入して富酸素液体空気と液体窒素とに分離し、前記富酸素液体空気と前記液体窒素とを前記低圧蒸留塔に導入して酸素と窒素とに蒸留分離する空気分離装置において、前記低圧蒸留塔から導出した製品窒素ガスの全部又はその一部を、加熱して前記膨張タービンに導く第１工程と、この導かれた製品窒素ガスを前記膨張タービンによって膨張、減圧することにより、前記保冷箱内を冷却し低温に維持するための寒冷を発生させる第２工程と、前記膨張タービンからの製品窒素ガスを前記主熱交換器によって常温近傍まで加熱し、再生用ガスとして前記吸着精製装置に導く第３工程とを含むことを特徴とする空気分離装置の冷却方法である。
【００１６】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の空気分離装置の冷却方法において、前記第１工程が、前記低圧蒸留塔から導出した前記ガスの全部又はその一部を、まず常温近傍まで加熱して、前記保冷箱の外部に配され、前記膨張タービンに連動している膨張タービン駆動昇圧機に導き、次いで、前記膨張タービン駆動昇圧機によって昇圧されたガスを冷却して前記膨張タービンに導くようになされていることを特徴とするものである。
【００１７】
本願の請求項１〜４の発明による空気分離装置の冷却方法は、原料空気を圧縮し高圧化して低圧蒸留塔において蒸留圧力が０．１〜０．５ＭＰａＧの範囲の高い圧力で蒸留分離が行われる高圧式の空気分離装置に適用されるものである。そして、本願発明の冷却方法では、低圧蒸留塔から導出したガスをその圧力エネルギを有効利用すべく膨張タービンに導いて、保冷箱内を冷却し低温に維持するための寒冷発生と、吸着精製装置への再生用ガスの供給とを行うようにしたものである。この場合、低圧蒸留塔から導出して膨張タービンに導くガスとして、請求項１の発明では排窒素ガスを用い、請求項２の発明では製品酸素ガスを用い、また、請求項３の発明では製品窒素ガスを用いるようにしている。
【００１８】
このように、本願の請求項１〜４の発明による冷却方法は、低圧蒸留塔から導出した高い圧力エネルギを持つガスを利用して、装置運転に必要な寒冷の発生と、吸着精製装置への再生用ガスの供給とを行うように構成されている。これにより、本願の請求項１〜４の発明による冷却方法によれば、従来とは違って、膨張タービンから送り出された寒冷発生に用いた原料空気を低圧蒸留塔に導入することに起因する製品酸素ガス、製品窒素ガスの収量低下を回避することができるので、従来と同一の製品ガス量であれば原料空気量を減らしてその圧縮動力が低減でき、従来に比べて空気分離装置全体としての所要動力を減らして装置運転コストを下げることができる。なお、一般に、高圧式の空気分離装置では、その所要動力のほとんど全てが原料空気の圧縮動力で占められており、原料空気の圧縮動力によって、寒冷発生による装置の冷却、酸素と窒素の分離、及びガスの輸送などのエネルギが賄われている。したがって、原料空気量を減らすことは、空気分離装置全体としての所要動力の低減に顕著に寄与することになる。
【００１９】
また、請求項４の発明による冷却方法によれば、低圧蒸留塔から導出したガスを膨張タービン駆動昇圧機（圧縮機）によって昇圧して膨張タービンに送り込むようにしたので、膨張タービンにおけるガスの減圧比が大きくなり、単位ガス流量当り、より多くの寒冷を発生することができ、膨張タービン駆動昇圧機による昇圧を行わない場合に比べて膨張タービン流量を少なくすることができる。これにより、製品ガスを多く採取することで寒冷発生用として低圧蒸留塔から導出できるガスの量が減少した場合でも、装置を低温に維持して運転するのに最低限必要な寒冷を確実に得ることができ、膨張タービン駆動昇圧機による昇圧を行わない場合に比べてより広い装置運転範囲に対応することができる。
【００２０】
また、前記膨張タービン駆動昇圧機は、膨張タービンに連動し、その回転軸が膨張タービンの回転軸と直接又はギヤー等の手段によって連結されており、膨張タービンのガスの減圧によって生成するエネルギによって駆動される。これにより、膨張タービンにより電力などを介在させずに膨張タービン駆動昇圧機を直接駆動するので、膨張タービンが生成するエネルギをより効率よく膨張タービン駆動昇圧機に伝達することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の第１実施形態による冷却方法が適用される高圧式の空気分離装置のプロセスフロー図である。
【００２２】
この空気分離装置は、図１に示すように、原料空気を圧縮する空気圧縮機１と、空気圧縮機１からの圧縮された原料空気中に含まれる水分や二酸化炭素などの不純物を吸着除去する吸着精製装置２と、吸着精製装置２からの浄化された原料空気を蒸留で得られた低温ガスとの熱交換により冷却する主熱交換器４と、高圧蒸留塔６と低圧蒸留塔７からなり、主熱交換器４からの冷却された原料空気を低温蒸留により酸素と窒素に分離する精留塔５と、高圧蒸留塔６から導出される富酸素液体空気と液体窒素を低圧蒸留塔７に導入する前にさらに冷却する過冷却器９と、寒冷発生用の膨張タービン１３とを主要構成機器として備えており、主熱交換器４、精留塔５、過冷却器９及び膨張タービン１３などの低温仕様機器は、保冷箱３内に収納されている。また、空気分離装置は、低圧蒸留塔７上部から導出した排窒素ガスの全部又はその一部を、加熱して膨張タービン１３に導く経路、膨張タービン１３からの排窒素ガスを加熱して再生用ガスとして吸着精製装置２に導く経路、製品窒素ガス導出経路及び製品酸素ガス導出経路などを備えている。
【００２３】
以下、この空気分離装置に適用される本発明の第１実施形態による冷却方法について図１に基づいて説明する。
【００２４】
まず、原料空気は、空気圧縮機１によって０．７〜１．７ＭＰａＧの範囲内における設定値にて圧縮され、次いで図示しない空気予冷装置で冷却された後に吸着精製装置２で原料空気中の水分、二酸化炭素及び炭化水素などの不純物が吸着除去される。浄化された原料空気は、管路２１から保冷箱３内に導入され、主熱交換器４で空気液化温度近傍まで冷却された後、管路２２を経て高圧蒸留塔６の底部に導入される。
【００２５】
高圧蒸留塔６に導入された原料空気は、ここで、酸素３０〜５０％を含む富酸素液体空気と液体窒素とに分離される。すなわち、窒素ガスは高圧蒸留塔６頂部に蓄積され、液体空気は高圧蒸留塔６底部に蓄積される。高圧蒸留塔６頂部の窒素ガスは、低圧蒸留塔７底部の主凝縮器８で液体酸素との熱交換によって液化され、液化された窒素は還流液として高圧蒸留塔６頂部に戻される。
【００２６】
そして、富酸素液体空気は、高圧蒸留塔６底部から管路２３に導出され、過冷却器９で冷却されて管路２４に導出され、さらに減圧弁１０で低圧蒸留塔７７の操作圧力とほぼ等しい圧力まで減圧され後、管路２５から低圧蒸留塔７７中部に導入される。また、液体窒素は、高圧蒸留塔６頂部から管路２６に導出され、過冷却器９で冷却されて管路２７に導出され、さらに減圧弁１１で低圧蒸留塔７の操作圧力とほぼ等しい圧力まで減圧され後、管路２８から還流液として低圧蒸留塔７頂部に供給される。このようにして、空気圧縮機１によって圧縮された原料空気は、その全量が低圧蒸留塔７に供給される。
【００２７】
低圧蒸留塔７では、供給される前記富酸素液体空気及び液体窒素から製品酸素ガスと製品窒素ガスの蒸留分離が行われる。この製品酸素ガスは、低圧蒸留塔７底部から管路３２に導出され、主熱交換器４で常温まで加熱された後に管路３３から保冷箱３外部に導出される。また、製品窒素ガスは、低圧蒸留塔７頂部から管路２９に導出され、過冷却器９、管路３０を経て主熱交換器４に導入され、ここで常温まで加熱された後に管路３３から保冷箱３外部に導出される。
【００２８】
一方、排窒素ガスは、低圧蒸留塔７上部から管路３４に導出され、過冷却器９で加熱された後に管路３５に導出される。そして、排窒素ガスの一部が管路３５から管路３８に分岐し、減圧弁１２で減圧された後に管路３９に導出される。管路３８、減圧弁１２及び管路３９は、バイパス経路を構成している。管路３５から主熱交換器４に導入された排窒素ガスは、主熱交換器４で−５０〜−１５０℃の範囲（例えば約−１００℃）にまで加熱された後、主熱交換器４中部から管路３６に送り出されて膨張タービン１３に導入され、膨張タービン１３で断熱膨張して０．０２〜０．０５ＭＰａＧまで減圧される。これにより、装置の冷却、低温維持に必要な寒冷が生成される。なお、装置運転時における寒冷発生量は一定でなく、例えば装置運転開始時には定常運転状態時に比べてより多くの寒冷が必要とされる。
【００２９】
寒冷を得た排窒素ガスは、膨張タービン１３から管路３７に送り出され、前記管路３９の排窒素ガスと合流して主熱交換器４に導入され、常温まで加熱された後にその一部が管路４０を経て吸着精製装置２に送られて再生用ガスとして用いられる。また、それ以外の残部が前記管路４０から分岐した管路４１を経て大気中に放出されるようになっている。
【００３０】
このように、この第１実施形態による冷却方法によれば、低圧蒸留塔７から導出した高い圧力エネルギを持つ排窒素ガスを利用して、装置運転に必要な寒冷の発生と、吸着精製装置２への再生用ガスの供給とを行うようにしたものであるから、従来とは違って、寒冷発生に用いた原料空気を低圧蒸留塔７に導入することに起因する製品酸素ガス、製品窒素ガスの収量低下を回避することができる。これにより、従来と同一の製品ガス量であれば原料空気量を減らしてその圧縮動力が低減でき、従来に比べて空気分離装置全体としての所要動力を減らして装置運転コストを下げることができる。
【００３１】
図２は本発明の第２実施形態による冷却方法が適用される高圧式の空気分離装置のプロセスフロー図である。ここで、以下の説明において、前記図１に示す空気分離装置の構成と同一部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３２】
前記第１実施形態との相違点は、図２に示すように、膨張タービン１３に連動している圧縮機（膨張タービン駆動昇圧機）１４を保冷箱３外部に設け、低圧蒸留塔から導出した排窒素ガスをまず常温近傍まで加熱して圧縮機１４に導き、圧縮機１４によって昇圧されたガスを次に冷却して膨張タービン１３に導くようにしたことにある。その他の点については、第１実施形態と同じである。
【００３３】
すなわち、図２に示すように、排窒素ガスは、低圧蒸留塔７上部から管路３４に導出され、過冷却器９で加熱された後に管路３５に導出される。そして、排窒素ガスの一部が管路３５から管路３８に分岐し、減圧弁１２で減圧された後に管路３９に導出される。また、管路３５から主熱交換器４に導入された排窒素ガスは、主熱交換器４で常温まで加熱された後、管路３６ａに送り出されて膨張タービン駆動昇圧機としての圧縮機１４に導入され、ここで昇圧される。この昇圧された排窒素ガスは、管路３６ｂに送り出されて図示しない後方冷却器（アフタークーラー）によって常温まで冷却された後、主熱交換器４で−５０〜−１５０℃の範囲にまでさらに冷却され、次いで主熱交換器４中部から管路３６ｃに送り出されて膨張タービン１３に導入され、膨張タービン１３で断熱膨張して０．０２〜０．０５ＭＰａＧまで減圧される。これにより、装置の冷却、低温維持に必要な寒冷が生成される。
【００３４】
寒冷を得た排窒素ガスは、膨張タービン１３から管路３７に送り出され、前記管路３９の排窒素ガスと合流して主熱交換器４に導入され、常温まで加熱された後にその一部が管路４０を経て吸着精製装置２に送られて再生用ガスとして用いられる。また、それ以外の残部が前記管路４０から分岐した管路４１を経て大気中に放出されるようになっている。
【００３５】
このように、この第２実施形態による冷却方法によれば、低圧蒸留塔７から導出した高い圧力エネルギを持つ排窒素ガスを利用して、装置運転に必要な寒冷の発生と、吸着精製装置２への再生用ガスの供給とを行うようにしたものであるから、前記第１実施形態による冷却方法と同様にして、従来と同一の製品ガス量であれば原料空気量を減らしてその圧縮動力が低減でき、従来に比べて空気分離装置全体としての所要動力を減らして装置運転コストを下げることができる。
【００３６】
さらに、この第２実施形態による冷却方法によれば、低圧蒸留塔７から導出した排窒素ガスを加熱するとともに圧縮機１４によって昇圧して膨張タービン１３に送り込むようにしたので、膨張タービン１３における排窒素ガスの減圧比が大きくなり、単位ガス流量当り、より多くの寒冷を発生することができ、圧縮機１４による昇圧を行わない場合に比べて膨張タービン流量を少なくすることができる。これにより、製品ガスを多く採取することで寒冷発生用として低圧蒸留塔７から導出できるガスの量が減少した場合でも、装置を低温に維持して運転するのに最低限必要な寒冷を確実に得ることができ、圧縮機１４による昇圧を行わない場合に比べてより広い装置運転範囲に対応することができる。
【００３７】
図３は本発明の第３実施形態による冷却方法が適用される高圧式の空気分離装置のプロセスフロー図である。ここで、以下の説明において、前記図１に示す空気分離装置の構成と同一部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３８】
前記第２実施形態との相違点は、図３に示すように、低圧蒸留塔から導出した排窒素ガスを膨張タービン１３に導くに際し、排窒素ガスのバイパス経路を変更したことにある。その他の点については、前記第２実施形態と同じである。
【００３９】
すなわち、図３に示すように、排窒素ガスは、低圧蒸留塔７上部から管路３４に導出され、過冷却器９、管路３５を経て主熱交換器４に導入される。管路３５から主熱交換器４に導入された排窒素ガスは、主熱交換器４で常温まで加熱された後、管路３６ａに送り出されて圧縮機１４に導入され、ここで昇圧される。この昇圧された排窒素ガスは、管路３６ｂに送り出されて図示しない後方冷却器（アフタークーラー）によって常温まで冷却された後、主熱交換器４で−５０〜−１５０℃の範囲にまでさらに冷却され、次いで主熱交換器４中部から管路３６ｃに送り出されて膨張タービン１３に導入され、膨張タービン１３で断熱膨張して０．０２〜０．０５ＭＰａＧまで減圧される。これにより、装置の冷却、低温維持に必要な寒冷が生成される。また、主熱交換器４を通過した排窒素ガスの一部が、管路３６ａから管路４２に分岐し、減圧弁１５で減圧された後に管路４３に導出される。管路４３は前記管路４０及び前記管路４１に連通している。前記管路４２、減圧弁１５及び管路４３は、パイパス経路を構成している。
【００４０】
寒冷を得た排窒素ガスは、膨張タービン１３から管路３７に送り出されて主熱交換器４に導入され、常温まで加熱された後にその一部が管路４０を経て吸着精製装置２に送られて再生用ガスとして用いられる。また、それ以外の残部が前記管路４０から分岐した管路４１を経て大気中に放出されるようになっている。
【００４１】
このようになされる第３実施形態による冷却方法によれば、前記第２実施形態による冷却方法と同様の効果を得ることができる。
【００４２】
図４は本発明の第４実施形態による冷却方法が適用される高圧式の空気分離装置のプロセスフロー図である。ここで、以下の説明において、前記図１に示す空気分離装置の構成と同一部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【００４３】
前記第１実施形態との相違点は、図４に示すように、排窒素ガスに代えて低圧蒸留塔から導出した製品酸素ガスを加熱して膨張タービン１３に導くようにしたことにある。その他の点については、前記第１実施形態と同じである。
【００４４】
すなわち、図４に示すように、製品酸素ガスは、低圧蒸留塔７底部から管路５１に導出される。この管路５１に導出される製品酸素ガスの温度は、例えば、０．１ＭＰａＧで約−１７６℃、０．５ＭＰａＧで約−１６２℃である。そして、製品酸素ガスの一部が管路５１から管路５４に分岐し、減圧弁１２で減圧された後に管路５５に導出される。管路５４、減圧弁１２及び管路５５は、バイパス経路を構成している。前記管路５１から主熱交換器４に導入された製品酸素ガスは、主熱交換器４で−５０〜−１５０℃の範囲にまで加熱された後、主熱交換器４中部から管路５２に送り出されて膨張タービン１３に導入され、膨張タービン１３で断熱膨張して０．０２〜０．０５ＭＰａＧまで減圧される。これにより、装置の冷却、低温維持に必要な寒冷が生成される。
【００４５】
寒冷を得た製品酸素ガスは、膨張タービン１３から管路５３に送り出され、前記管路５５の製品酸素ガスと合流して主熱交換器４に導入され、常温まで加熱された後にその一部が管路４０’を経て吸着精製装置２に送られて再生用ガスとして用いられる。また、それ以外の残部が前記管路４０’から分岐した管路４１’を経て保冷箱３外部に導出されるようになっている。
【００４６】
このように、この第４実施形態による冷却方法によれば、低圧蒸留塔７から導出した高い圧力エネルギを持つ製品酸素ガスを利用して、装置運転に必要な寒冷の発生と、吸着精製装置２への再生用ガスの供給とを行うようにしたものであるから、従来とは違って、寒冷発生に用いた原料空気を低圧蒸留塔７に導入することに起因する製品酸素ガス、製品窒素ガスの収量低下を回避することができる。これにより、従来と同一の製品ガス量であれば原料空気量を減らしてその圧縮動力が低減でき、従来に比べて空気分離装置全体としての所要動力を減らして装置運転コストを下げることができる。
【００４７】
図５は本発明の第５実施形態による冷却方法が適用される高圧式の空気分離装置のプロセスフロー図である。ここで、以下の説明において、前記図１に示す空気分離装置の構成と同一部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【００４８】
前記第１実施形態との相違点は、図５に示すように、排窒素ガスに代えて低圧蒸留塔から導出した製品窒素ガスを加熱して膨張タービン１３に導くようにしたことにある。その他の点については、前記第１実施形態と同じである。
【００４９】
すなわち、図５に示すように、製品窒素ガスは、低圧蒸留塔７頂部から管路２９に導出される。この管路５１に導出される製品窒素ガスの温度は、例えば、０．１ＭＰａＧで約−１９０℃、０．５ＭＰａＧで約−１７７℃である。なお、前述した管路３４に導出される排窒素ガスの温度は、この製品窒素ガスの温度とほぼ同じである。さて、管路５１に導出された製品窒素ガスは過冷却器９で加熱され後に管路６１に導出される。そして、製品窒素ガスの一部が管路６１から管路６４に分岐し、該管路６４を経て主熱交換器４に導入され、ここで常温まで加熱された後に管路３１から保冷箱３外部に導出される。前記管路６１から主熱交換器４に導入された製品窒素ガスは、主熱交換器４で−５０〜−１５０℃の範囲にまで加熱された後、主熱交換器４中部から管路６２に送り出されて膨張タービン１３に導入され、膨張タービン１３で断熱膨張して０．０２〜０．０５ＭＰａＧまで減圧される。これにより、装置の冷却、低温維持に必要な寒冷が生成される。
【００５０】
寒冷を得た製品窒素ガスは、膨張タービン１３から管路６３に送り出され、該管路６３を経て主熱交換器４に導入され、常温まで加熱された後にその一部が管路４０”を経て吸着精製装置２に送られて再生用ガスとして用いられる。また、それ以外の残部が前記管路４０”から分岐した管路４１”を経て保冷箱３外部に導出されるようになっている。
【００５１】
このように、この第５実施形態による冷却方法によれば、低圧蒸留塔７から導出した高い圧力エネルギを持つ製品窒素ガスを利用して、装置運転に必要な寒冷の発生と、吸着精製装置２への再生用ガスの供給とを行うようにしたものであるから、従来とは違って、寒冷発生に用いた原料空気を低圧蒸留塔７に導入することに起因する製品酸素ガス、製品窒素ガスの収量低下を回避することができる。これにより、従来と同一の製品ガス量であれば原料空気量を減らしてその圧縮動力が低減でき、従来に比べて空気分離装置全体としての所要動力を減らして装置運転コストを下げることができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上述べたように、請求項１〜４の発明による空気分離装置の冷却方法によれば、高圧式の空気分離装置において、低圧蒸留塔から導出したガスをその圧力エネルギを有効利用すべく膨張タービンに導いて、保冷箱内を冷却し低温に維持するための寒冷発生と、吸着精製装置への再生用ガスの供給とを行うようにしたものであるから、従来に比べて製品ガスの収量の低下をなくすことで原料空気量を減らしてその圧縮動力を低減でき、空気分離装置全体としての所要動力を減らして装置運転コストを下げることができる。
【００５３】
また、請求項４の発明による空気分離装置の冷却方法によれば、低圧蒸留塔から導出したガスを加熱するとともに昇圧して膨張タービンに送り込むようにしたものであるから、膨張タービンにおけるガスの減圧比が大きくなり、単位ガス流量当り、より多くの寒冷を発生することができ、前記昇圧を行わない場合に比べて膨張タービン流量を少なくすることができる。これにより、前述の効果に加えて、製品ガスを多く採取することで寒冷発生用として低圧蒸留塔から導出できるガスの量が減少した場合でも、装置を低温に維持して運転するのに最低限必要な寒冷を確実に得ることができ、前記昇圧を行わない場合に比べてより広い装置運転範囲に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による冷却方法が適用される高圧式の空気分離装置のプロセスフロー図である。
【図２】本発明の第２実施形態による冷却方法が適用される高圧式の空気分離装置のプロセスフロー図である。
【図３】本発明の第３実施形態による冷却方法が適用される高圧式の空気分離装置のプロセスフロー図である。
【図４】本発明の第４実施形態による冷却方法が適用される高圧式の空気分離装置のプロセスフロー図である。
【図５】本発明の第５実施形態による冷却方法が適用される高圧式の空気分離装置のプロセスフロー図である。
【図６】高圧式の空気分離装置の従来例を示すプロセスフロー図である。
【図７】高圧式の空気分離装置の他の従来例を示すプロセスフロー図である。
【符号の説明】
１…空気圧縮機　２…吸着精製装置　３…保冷箱　４…主熱交換器　５…精留塔　６…高圧蒸留塔　７…低圧蒸留塔　８…主凝縮器　９…過冷却器　１０，１１，１２…減圧弁　１３…膨張タービン　１４…圧縮機（膨張タービン駆動昇圧機）　１５…減圧弁　２１〜４３…管路　３６ａ〜３６ｃ…管路　４０’，４０”，４１’，４１”…管路　５１〜５５…管路　６１〜６４…管路

Claims (4)

  1. 空気圧縮機によって原料空気を圧縮し、圧縮された原料空気を吸着精製装置によって浄化し、この浄化された原料空気を、主熱交換器、高圧蒸留塔と低圧蒸留塔からなる精留塔及び寒冷発生用の膨張タービンなどを収納する保冷箱内に導き、この保冷箱内において、前記圧縮、浄化された原料空気を前記主熱交換器によって冷却し、この冷却された原料空気を前記高圧蒸留塔に導入して富酸素液体空気と液体窒素とに分離し、前記富酸素液体空気と前記液体窒素とを前記低圧蒸留塔に導入して酸素と窒素とに蒸留分離する空気分離装置において、
    前記低圧蒸留塔から導出した排窒素ガスの全部又はその一部を、加熱して前記膨張タービンに導く第１工程と、この導かれた排窒素ガスを前記膨張タービンによって膨張、減圧することにより、前記保冷箱内を冷却し低温に維持するための寒冷を発生させる第２工程と、前記膨張タービンからの排窒素ガスを前記主熱交換器によって常温近傍まで加熱し、再生用ガスとして前記吸着精製装置に導く第３工程とを含むことを特徴とする空気分離装置の冷却方法。
  2. 空気圧縮機によって原料空気を圧縮し、圧縮された原料空気を吸着精製装置によって浄化し、この浄化された原料空気を、主熱交換器、高圧蒸留塔と低圧蒸留塔からなる精留塔及び寒冷発生用の膨張タービンなどを収納する保冷箱内に導き、この保冷箱内において、前記圧縮、浄化された原料空気を前記主熱交換器によって冷却し、この冷却された原料空気を前記高圧蒸留塔に導入して富酸素液体空気と液体窒素とに分離し、前記富酸素液体空気と前記液体窒素とを前記低圧蒸留塔に導入して酸素と窒素とに蒸留分離する空気分離装置において、
    前記低圧蒸留塔から導出した製品酸素ガスの全部又はその一部を、加熱して前記膨張タービンに導く第１工程と、この導かれた製品酸素ガスを前記膨張タービンによって膨張、減圧することにより、前記保冷箱内を冷却し低温に維持するための寒冷を発生させる第２工程と、前記膨張タービンからの製品酸素ガスを前記主熱交換器によって常温近傍まで加熱し、再生用ガスとして前記吸着精製装置に導く第３工程とを含むことを特徴とする空気分離装置の冷却方法。
  3. 空気圧縮機によって原料空気を圧縮し、圧縮された原料空気を吸着精製装置によって浄化し、この浄化された原料空気を、主熱交換器、高圧蒸留塔と低圧蒸留塔からなる精留塔及び寒冷発生用の膨張タービンなどを収納する保冷箱内に導き、この保冷箱内において、前記圧縮、浄化された原料空気を前記主熱交換器によって冷却し、この冷却された原料空気を前記高圧蒸留塔に導入して富酸素液体空気と液体窒素とに分離し、前記富酸素液体空気と前記液体窒素とを前記低圧蒸留塔に導入して酸素と窒素とに蒸留分離する空気分離装置において、
    前記低圧蒸留塔から導出した製品窒素ガスの全部又はその一部を、加熱して前記膨張タービンに導く第１工程と、この導かれた製品窒素ガスを前記膨張タービンによって膨張、減圧することにより、前記保冷箱内を冷却し低温に維持するための寒冷を発生させる第２工程と、前記膨張タービンからの製品窒素ガスを前記主熱交換器によって常温近傍まで加熱し、再生用ガスとして前記吸着精製装置に導く第３工程とを含むことを特徴とする空気分離装置の冷却方法。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の空気分離装置の冷却方法において、前記第１工程が、前記低圧蒸留塔から導出した前記ガスの全部又はその一部を、まず常温近傍まで加熱して、前記保冷箱の外部に配され、前記膨張タービンに連動している膨張タービン駆動昇圧機に導き、次いで、前記膨張タービン駆動昇圧機によって昇圧されたガスを冷却して前記膨張タービンに導くようになされていることを特徴とする空気分離装置の冷却方法。
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