JP2004309119A - 空気分離装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】酸素ガスを省エネルギーで製造することができ、装置を著しく小形化できる空気分離装置を提供する。
【解決手段】外部より空気を取り入れて圧縮する空気圧縮機１と、この空気圧縮機１によって圧縮された圧縮空気中の酸素ガスを濃縮する第１吸着塔２，３と、この第１吸着塔２，３を経た高濃度酸素含有圧縮空気Ｘをさらに圧縮する酸素空気圧縮機１１と、この酸素空気圧縮機１１を経た高濃度酸素含有圧縮空気Ｙを冷却する主熱交換器２１と、この主熱交換器２１を経由し低温に冷却された高濃度酸素含有圧縮空気Ｙを各成分ガスの沸点差を利用して分離し酸素ガスを取り出す高圧精留塔２３，低圧精留塔２８とを備えている。
【選択図】図１
【解決手段】外部より空気を取り入れて圧縮する空気圧縮機１と、この空気圧縮機１によって圧縮された圧縮空気中の酸素ガスを濃縮する第１吸着塔２，３と、この第１吸着塔２，３を経た高濃度酸素含有圧縮空気Ｘをさらに圧縮する酸素空気圧縮機１１と、この酸素空気圧縮機１１を経た高濃度酸素含有圧縮空気Ｙを冷却する主熱交換器２１と、この主熱交換器２１を経由し低温に冷却された高濃度酸素含有圧縮空気Ｙを各成分ガスの沸点差を利用して分離し酸素ガスを取り出す高圧精留塔２３，低圧精留塔２８とを備えている。
【選択図】図１
Description
本発明は、酸素ガスを省エネルギーで製造することができ、装置を著しく小形化できる空気分離装置に関するものである。
一般に、窒素ガス（ＧＮ2 ），酸素ガス（ＧＯ2 ），アルゴン（Ａｒ）等は、図６に示すように、空気を原料とし、これを空気圧縮機６１で圧縮したのち、吸着塔６２に入れて圧縮空気中の水（Ｈ2 Ｏ），炭酸ガス（ＣＯ2 ）および炭化水素ガス（Ｃn Ｍm ）を吸着除去し、さらに、コールドボックス６３内の主熱交換器（図示せず）を通して冷媒と熱交換させて超低温に冷却し、つぎに、精留塔（図示せず）内で深冷分離して製品ガス（窒素ガス，酸素ガス等）を製造し、これを上記主熱交換器を通して常温近くまで昇温させるという工程を経て製造されている。また、コールドボックス６３から取り出される廃ガスは、吸着塔６２の再生用として利用されている（例えば、特許文献１参照）。図６において、６４は再生・排気用のヒーターである。
特開平８−２６１６４４号公報（段落番号〔００１１〕〜〔００１５〕）
このような空気分離装置では、空気圧縮機６１として、通常、吐出圧力が５ｋｇ／ｃｍ2 Ｇ〔０．５ＭＰａＧ（ゲージ圧）〕程度の空気圧縮機６１が使用されているが、この空気圧縮機６１を用いて１０，０００ｍ3 ／ｈ（Ｎｏｒｍａｌ）の酸素ガスを製造しようとすると、これに必要な空気量は、空気の各成分ガスの成分割合（体積％）が、酸素２０．９％：窒素７８．１％：アルゴン０．９％であるため、酸素ガスの回収効率を９７％とすると、理論上では、空気量＝（１０，０００÷０．２０９）÷０．９７で算出され、約５０，０００ｍ3 ／ｈ（Ｎｏｒｍａｌ）の空気量が必要となる。このため、上記必要な空気量に見合う吸着塔６２，主熱交換器，精留塔等を使用する必要があり、装置全体が大掛かりになっている。しかも、１０，０００ｍ3 ／ｈ（Ｎｏｒｍａｌ）の酸素ガスを製造する場合、これに必要な空気圧縮機６１の圧縮動力（この圧縮動力は、通常、上記必要な空気量の数値に約０．０９を乗じた値とされている）が４５００ｋＷ程度であり、吸着塔６２の再生・排気用のヒーター６４の駆動動力が５００ｋＷ程度であるため、合計５０００ｋＷ程度の大きな動力を必要とし、酸素ガスの製造に多大なエネルギーを要している。
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、酸素ガスを省エネルギーで製造することができ、深冷分離機構（コールドボックスおよびその内部機器）等を大幅に小形化できる空気分離装置の提供をその目的とする。
上記の目的を達成するため、本発明の空気分離装置は、外部より空気を取り入れて低圧で圧縮する空気圧縮手段と、この空気圧縮手段によって圧縮された圧縮空気中の酸素ガスを濃縮する酸素濃縮手段と、この酸素濃縮手段を経た高濃度酸素含有圧縮空気Ｘをさらに圧縮する酸素空気圧縮手段と、この酸素空気圧縮手段を経た高濃度酸素含有圧縮空気Ｙを冷却する熱交換器と、この熱交換器を経由し低温に冷却された高濃度酸素含有圧縮空気Ｙを各成分ガスの沸点差を利用して分離し酸素ガスを取り出す精留塔とを備えたという構成をとる。
すなわち、本発明の空気分離装置は、空気圧縮手段により原料空気を低圧力に圧縮し、この空気圧縮手段に続いて、その圧縮空気中の酸素ガスを濃縮する酸素濃縮手段を設け、原料空気中の酸素濃度を高め、これを、酸素空気圧縮手段，熱交換器を経由して精留塔に供給している。そのため、同一量の酸素ガス等を製造する場合、大幅なエネルギーの節約ができるとともに、酸素濃縮手段以降の各手段の流通流量の大幅な低減を実現することにより、それらを従来のものの半分以下に小形化でき、結果的に装置全体の著しい小形化を達成することができる。ここで、上記低圧とは、酸素空気圧縮手段による圧縮圧力よりも小さいことをいい、通常は、酸素空気圧縮手段の圧縮圧力の１／３以下、好適には１／５以下、より好適には１／１０以下のことをいう。
また、上記酸素濃縮手段を、圧縮空気中の窒素ガスを吸着する吸着剤を収容する吸着塔とし、上記吸着剤で圧縮空気中の水分等の不純物をも除去するようにした場合には、上記吸着塔の吸着剤の作用により圧縮空気中の酸素ガスを濃縮させることができるうえ、圧縮空気中の水分をも除去できるため、酸素濃縮手段に続く酸素空気圧縮手段で圧縮する対象は、より乾燥したものとなり、圧縮動力をより減少させることができる。
また、酸素空気圧縮手段と熱交換器との間に、高濃度酸素含有圧縮空気Ｙ中の不純物を除去する除去手段を設けたときは、上記高濃度酸素含有圧縮空気Ｙ中に、微量残存する炭化水素，水分，ＮＯX 等を除去することができ、原料空気として海岸沿いの空気（ナトリウムイオン多い）または道路沿いの空気（自動車排ガス多い）等、質の悪い空気も利用できるようになる。
また、酸素濃縮手段を経た高濃度酸素含有圧縮空気Ｘを酸素空気圧縮手段に導入する導入路に、空気圧縮手段によって圧縮された圧縮空気の一部を、酸素濃縮手段を経由させることなく、直接供給するようにした場合には、空気圧縮手段を経たのち上記導入路に直接供給される圧縮空気の一部と、空気圧縮手段を経たのち酸素濃縮手段に導入されここで高濃度酸素含有圧縮空気Ｘとなって上記導入路に供給される圧縮空気の残部とを、上記導入路で合流させ、これにより、高濃度酸素含有圧縮空気Ｘ中の酸素濃度を薄めることができるため、酸素製造量を少なくしたいときには、上記導入路に直接供給する圧縮空気量を調整することで、対応することができるようになる。
つぎに、本発明の実施の形態を図面にもとづいて詳しく説明する。
図１は本発明の空気分離装置の一実施の形態を示している。図において、１は大気を取り込んで圧縮する空気圧縮機（空気圧縮手段）であり、その吐出圧力は、０．１ｋｇ／ｃｍ2 Ｇ〔０．０１ＭＰａＧ（ゲージ圧）〕程度の低圧に設定されている。１ａは空気圧縮機１を経た圧縮空気を第１吸着塔２，３に送給する第１送給パイプである。第１吸着塔（酸素濃縮手段）２，３は、内部に、上流側がシリカゲル等の吸着剤が充填され、下流側に当出願人が開発したモレキュラーシーブス製吸着剤（エア・ウォーター社製ＡＷ０２０３）が充填されている。この第１吸着塔２，３は、２個一対となっていて吸着・再生を交互に切換え運転する。この実施の形態では、第１吸着塔２，３の吸着剤の作用（窒素ガス吸着作用）により、空気圧縮機１を経た低圧の圧縮空気中の各成分ガスの成分割合（体積％）を、例えば、酸素ガス５０％：窒素ガス４７．５％：アルゴンガス２．５％程度にし、圧縮空気中の酸素ガスの濃度を２０．９体積％から５０体積％に濃縮している。第１吸着塔２，３は、上記の濃縮と同時に吸着剤の作用により圧縮空気中の水（Ｈ2 Ｏ），炭酸ガス（ＣＯ2 ）および炭化水素ガス（Ｃn Ｈm ）等を吸着除去する。４は第１吸着塔２，３の再生・排気用の真空ポンプであり、４ａは第１放出パイプで、第１吸着塔２，３の吸着剤に吸着された廃ガスを大気に放出し吸着剤を再生する作用をする。このように、第１吸着塔２，３およびその開閉弁６ａ，６ｂ，８ａ，８ｂ付きのパイプ路ならびに真空ポンプ４からなる系は、ＶＳＡ（バキュームスイングアブソープド）、膜分離となっていて一方の第１吸着塔２（３）が吸着作動しているときは、他方の第１吸着塔３（２）は真空ポンプ４の真空吸引により再生されている。なお、上記空気圧縮機１と第１吸着塔２，３との間には、空気圧縮機１により圧縮された圧縮空気中の水分を除去する水分離器（図示せず）、場合により、この水分離器を経た圧縮空気を冷却するフロン冷却器（図示せず）が設けられていてる。また、この実施の形態では、上記の系はＶＳＡとなっているが、ＰＳＡ（プレッシャースイングアブソープド），ＴＳＡ（サーマルスイングアブソープド）の膜分離であってもよい。図において、６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂは第１吸着塔２，３を交互に吸着・再生運転させるための開閉弁である。
１１は第１吸着塔２，３を経た高濃度酸素含有圧縮空気Ｘをさらに圧縮する小形の酸素空気圧縮機（流通する気体が従来のものの１／２以下になるため、１／２以下の小形サイズで足りる）〔酸素空気圧縮手段〕である。この実施の形態では、上記酸素空気圧縮機１１として、高濃度酸素含有圧縮空気Ｘをさらに圧縮する小形の酸素空気圧縮機（オイルレスのセントリフューガルコンプレッサー：吐出圧力５ｋｇ／ｃｍ2 Ｇ〔０．５ＭＰａＧ（ゲージ圧）〕程度の酸素空気圧縮機）が用いられている。この酸素空気圧縮機１１は、高濃度酸素含有圧縮空気Ｘをさらに圧縮する際の爆発を防ぐため、オイルレス等の機構となっている。１１ａは酸素空気圧縮機１１を経た高濃度酸素含有圧縮空気Ｙを第２吸着塔１２，１３に送気する第２送給パイプである。１２，１３は内部に、市販モレキュラーシーブス等の吸着剤が充填され、交互に吸着・再生を行う２個１組の小形の第２吸着塔（従来のものの１／２以下の小形のサイズになっている）であり、酸素空気圧縮機１１によりさらに圧縮された高濃度酸素含有圧縮空気Ｙ中に微量残存する水，炭酸ガス，Ｃn Ｍm およびＮＯX 等を吸着除去する作用をする。１４は第２放出パイプで、第２吸着塔１２，１３で再生作用を終えた廃ガスを大気に放出する作用をする。この第２吸着塔１２，１３および開閉弁１６ａ，１６ｂ，１９ａ，１９ｂ付きのパイプ路からなる系は、ＴＳＡとなっている。図において、１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂは第２吸着塔１２，１３を交互に吸着・再生運転させるための開閉弁である。
２１は主熱交換器で、プレートフィン型のもの等からなり、第２吸着塔１２，１３により、微量の水および炭酸ガス等が吸着除去された高濃度酸素含有圧縮空気Ｙを超低温に冷却する。この主熱交換器２１も、従来のものの１／２の流通気体の処理量となることから、約１／２以下の小形のサイズになる。２２は主熱交換器２１により超低温に冷却された高濃度酸素含有圧縮空気Ｙを高圧精留塔２３の下部に送り込む供給パイプである。この高圧精留塔（棚段式またはパックドカラム式）２３も、流通する気体が従来の１／２以下になることから、１／２以下の能力でよくなり、１／２以下のサイズになる。上記高圧精留塔２３の内部では、供給パイプ２２から送り込まれた高濃度酸素含有圧縮空気Ｙのうち、液体の高濃度酸素含有液体空気２４が底部に溜まり、窒素ガスが上部に上昇する。上部に上昇する窒素ガスは、その一部が第１還流用パイプ３１を経由して低圧精留塔２８下部の凝縮器（コンデンサー）３０に導入され、残部が窒素ガス取出パイプ２６を経由し膨脹タービン３７の駆動ガスとなる。そして、凝縮器３０に導入された窒素ガスは、そこで液化されて液体窒素となり、第２還流用パイプ３２を経て高圧精留塔２３の上部に還流液として戻り、高圧精留塔２３内を下方に流下し、下方から上昇してくる気体の高濃度酸素含有圧縮空気Ｙと向流的に接触し、高濃度酸素含有圧縮空気Ｙの高沸点成分ガス（酸素ガス）を液化し流下させる。このため、底部に溜まる液体の高濃度酸素含有液体空気２４はさらに酸素リッチになり、低沸点成分ガス（窒素ガス）は高圧精留塔２３の上部に向かって上昇する。窒素ガス取出パイプ２６から取出された窒素ガスは、主熱交換器２１に送られ、この主熱交換器２１を通過する圧縮空気を冷却したのち、第１連結パイプ２６ａを経由して膨脹タービン３７に供給され、先に述べたように、膨脹タービン３７の駆動源となり寒冷を発生する。３８は開閉弁３８ａ付き迂回路である。すなわち、窒素ガス取出パイプ２６，開閉弁２６ｂ付き第１連結パイプ２６ａを経て膨脹タービン３７に導入された窒素ガスは、内部で膨脹し、熱力学的外部仕事を行うことにより著しく低温になって装置に必要な寒冷量を発生し、その状態で第２連結パイプ３７ａを経由して主熱交換器２１に入り、ここで原料空気と熱交換して発生寒冷を原料空気に付与し、それ自身は常温となり、その大部分は、廃ガスとして放出パイプ３７ｂを経由して放出され、一部が分岐パイプ４０を経由して第２吸着塔１２，１３の吸着剤の再生ガスとなる。この分岐パイプ４０は、導入された窒素ガスを、ヒータ４１を有する第１パイプ４２もしくは、ヒータなしの第２パイプ４３に供給する作用をする。４４は第３パイプであり、第１パイプ４２もしくは第２パイプ４３を経た窒素ガスを第２吸着塔１２，１３に吸着剤再生用ガスとして供給する作用をする。
２８は高圧精留塔２３の上方に設けられた低圧精留塔（棚段式またはパックドカラム式）であり、高圧精留塔２３の底部に溜まる液体の高濃度酸素含有液体空気２４が膨脹弁２９ａ付き送給パイプ２９を経て送り込まれる。この低圧精留塔２８には、その底部に凝縮器３０が設けられており、そこに、高圧精留塔２３から取り出された窒素ガスの一部が第１還流用パイプ３１を介して導入される。この窒素ガスは、低圧精留塔２８の底部に溜まる液体酸素（ＬＯ2 ：純度９９．７体積％程度）３４を加温して液体酸素３４を気化させる働きをし、それ自身は液体酸素３４の冷熱によって液化し、その一部が、先に述べたように、流量調整弁３２ａ付き第２還流用パイプ３２を通って高圧精留塔２３の上部に還流し還流液となる。また、上記液体窒素３４の残部は、流量調整弁３３ａ付き分岐パイプ３３を通って低圧精留塔２８の上部に導入され還流液となって低圧精留塔２８内を流下し気液分離作用をする。３５は低圧精留塔２８の下部側から延びる製品酸素ガス取出パイプであり、低圧精留塔２８の底部に溜まる液体酸素３４から気化した高純度の酸素ガスを取り出して主熱交換器２１内に案内し、高濃度酸素含有圧縮空気Ｙと熱交換させて常温にし製品酸素ガスとして装置外に送り出す作用をする。３６は低圧精留塔２８の上部から延びる製品窒素ガス取出パイプであり、低圧精留塔２８の上部に上昇してきた窒素ガスを取り出して主熱交換器２１に送り、高濃度酸素含有圧縮空気Ｙを冷却させるとともに、それ自身を常温に昇温させ製品窒素ガスとして装置外に送り出す作用をする。図において、３９はコールドボックスであり、内部に、低温断熱に用いられるパーライト等の断熱材（図示せず）が詰められている。なお、この実施の形態では、第１吸着塔２，３のラインは、窒素ガス吸着により酸素を濃縮しているが、酸素ガスを吸着する吸着剤を用い、吸着剤に吸着され濃縮された酸素ガスを取り出すようにしてもよい。
この装置を用い、つぎのようにして窒素ガスおよび酸素ガスを製造することができる。すなわち、まず、空気圧縮機（空気圧縮手段）１から外部の空気を取り入れ、ここで空気を低圧で圧縮し、水分離器（図示せず）により圧縮された空気中の水分を除去し、その状態で第１吸着塔（酸素濃縮手段）２，３に送り込み、圧縮空気中の窒素ガス，水分，炭酸ガスおよび炭化水素ガス（Ｃn Ｈm ）等を吸着除去する。これにより、圧縮空気中の酸素ガスを濃縮する。これが、本発明の最大の特徴である。ついで、第１吸着塔２，３を経た高濃度酸素含有圧縮空気Ｘを酸素空気圧縮機（酸素空気圧縮手段）１１に導入し、この酸素空気圧縮機１１により高濃度酸素含有圧縮空気Ｘをさらに圧縮し高濃度酸素含有圧縮空気Ｙとしたのち第２吸着塔１２，１３に送り込み、高濃度酸素含有圧縮空気Ｙ中の水，炭酸ガスおよびＮＯX 等を吸着除去する。つぎに、水，炭酸ガスおよびＮＯX 等が吸着除去された高濃度酸素含有圧縮空気Ｙを主熱交換器２１内に送り込んで超低温に冷却し、その状態で高圧精留塔２３の下部に導入する。ついで、高圧精留塔２３内で、この高濃度酸素含有圧縮空気Ｙと、低圧精留塔２８でつくられた還流液体とを向流接触させて圧縮空気を精留し、窒素と酸素の沸点の差（酸素の大気圧での沸点−１８３℃，同じく窒素の沸点−１９６℃）により、高濃度酸素含有圧縮空気Ｙ中の高沸点成分である酸素を液化させ、窒素を気体とする。この窒素ガスを窒素ガス取出パイプ２６から取り出して主熱交換器２１に送り込んだのち、膨脹タービン３７に供給し、ここで寒冷を発生させたのち、その大部分を装置外に放出し、一部を第２吸着塔１２，１３の再生ガスとする。
また、低圧精留塔２８の上部に溜まった窒素ガスを製品窒素ガス取出パイプ３６から取り出して主熱交換器２１に送り込み、常温近くまで昇温させたのち、製品窒素ガスとして装置外に送り出す。他方、高圧精留塔２３の底部に溜った液体の高濃度酸素含有液体空気２４を送給パイプ２９を経て低圧精留塔２８に送り込み、窒素を気化除去した液体酸素３４として低圧精留塔２８の底部に溜め、低圧精留塔２８底部の凝縮器３０を通る窒素ガスと熱交換させて気化させる。この気化させた酸素ガスを製品酸素ガス取出パイプ３５から取り出して主熱交換器２１に送り込み常温近くまで昇温させたのち、製品酸素ガスとして装置外に送り出す。このようにして製品酸素ガスおよび窒素ガスが得られる。
上記実施の形態では、第１吸着塔２，３により、圧縮空気中の酸素ガスの濃度が２０．９体積％から５０体積％程度に濃縮されているため、１０，０００ｍ3 ／ｈ（Ｎｏｒｍａｌ）の酸素ガスを製造するのに必要な空気量は、酸素ガスの回収効率を９７％とすると、理論上では、空気量＝（１０，０００÷０．５００）÷０．９７で算出され、約２０，６００ｍ3 ／ｈ（Ｎｏｒｍａｌ）の空気量であり、冒頭で述べた従来のものの４１％程度に減少している。しかも、１０，０００ｍ3 ／ｈ（Ｎｏｒｍａｌ）の酸素ガスを製造するのに必要な酸素空気圧縮機１１の圧縮動力が２０００ｋＷ程度にまで減少し、また、酸素空気圧縮機１の圧縮動力が３００ｋＷ程度に、真空ポンプ４の駆動動力が９００ｋＷ程度に、電気ヒータ４１の電力量が２００ｋＷ程度になると推測されるため、合計３４００ｋＷとなり、従来の７０％程度に減少している。したがって、３０％以上の省エネルギーを実現できる。
また、この実施の形態では、原料空気を圧縮する空気圧縮機１に続いて、その圧縮空気中の酸素ガスを濃縮する第１吸着塔２，３を設け、原料空気中の酸素濃度を高め、これを酸素空気圧縮機１１，主熱交換器２１を経由して高圧精留塔２３，低圧精留塔２８に供給している。そのため、酸素空気圧縮機１１以降の、主熱交換器２１，両精留塔２３，２８のような各機器の流通流量の大幅な低減を実現することにより、それらを従来のものの半分以下に小形化でき、結果的に装置全体の著しい小形化を達成することができる。
例えば、７０，０００ｍ3 ／ｈ（Ｎｏｒｍａｌ）の酸素ガスを製造する場合、従来のものでは高圧精留塔２３の直径が７ｍ（当社計算値）となり、これは工場で組立てて現地に運ぶのは輸送手段がないことから、やむなく現地で組立てざるを得なかったが、この実施の形態では、同量の酸素を製造する場合、精留塔を流通する気体が１／２以下となるため、上記精留塔の直径を約４．２ｍにすることができる。そのため、工場で組立て現地に運搬することが可能となり、大幅な省力化が可能となる。
図２は本発明の空気分離装置の他の実施の形態を示している。この実施の形態では、第２吸着塔１２，１３を省いている。すなわち、第２吸着塔１２，１３，第２放出パイプ１４，開閉弁１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ付きのパイプ路，分岐パイプ４０および第１〜第３パイプ４２〜４４を省いている。それ以外の部分は上記実施の形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。この実施の形態では、装置を、原料空気として清浄な空気を用いるような場所等に設置することにより、前記実施の形態と同様の効果を奏するうえ、装置の簡素化，小形化を達成できる。
図３は本発明の空気分離装置のさらに他の実施の形態を示している。この実施の形態では、図２に示す実施の形態において、膨脹タービン３７に代えて、装置外からタンクローリー等で液体酸素（ＬＯ2 ）が供給される液体酸素貯槽（図示せず）を用い、その液体酸素を寒冷源としている以外は、実質的に図２に示す装置と同じである。図において、４７は液体酸素貯槽からの液体酸素を、寒冷源として低圧精留塔２８の下部に導入する導入パイプであり、この導入パイプ４７から導入された液体酸素が低圧精留塔２８の底部に流下し、この底部に溜まる液体酸素３４に合流する。４８は低圧精留塔２８から延びる排出用パイプであり、低圧精留塔２８の棚段（またはパックドカラム）２８ａの上部に溜まる窒素ガス（廃ＧＮ2 ）を取り出して過冷却器４９に導入し、この過冷却器４９を経た廃窒素ガスを主熱交換器２１内に案内し、高濃度酸素含有圧縮空気Ｙを冷却したのち外部に放出する作用をする。上記過冷却器４９は、その内部に、送給パイプ２９内の高濃度酸素含有液体空気２４、分岐パイプ３３内の液体窒素（還流液）、製品窒素ガス取出パイプ３６内の製品窒素ガスおよび排出用パイプ４８内の廃窒素ガスを通し、送給パイプ２９内の高濃度酸素含有液体空気２４を冷却する作用をする。５０は低圧精留塔２８の底面から延びる液体酸素取出パイプであり、低圧精留塔２８の底部に溜まる液体酸素を取り出して主熱交換器２１内に案内し、高濃度酸素含有圧縮空気Ｙを冷却させるとともに、それ自身を常温に昇温させ製品酸素ガスとして製品酸素ガス取出パイプ３５に導入する作用をする。５１は製品窒素ガス取出パイプ３６に設けた製品窒素ガス圧縮機であり、製品窒素ガス取出パイプ３６内を通る製品窒素ガスを所定の圧力に昇圧する作用をする。５２は製品酸素ガス取出パイプ３５に設けた第１製品酸素ガス圧縮機であり、製品酸素ガス取出パイプ３５内を通る製品酸素ガスを所定の圧力に昇圧し低圧製品酸素ガス取出パイプ５３に供給する作用をする。５４は第２製品酸素ガス圧縮機であり、第１製品酸素ガス圧縮機５２を経た製品酸素ガスをさらに昇圧し高圧製品酸素ガス取出パイプ５５に供給する作用をする。なお、この実施の形態では、高圧精留塔２３の天井面と、この高圧精留塔２３の上方に設けた低圧精留塔２８の底面とを一体化し同一材で形成している。図において、３６ａは製品窒素ガス取出パイプ３６内を通る製品窒素ガスを排出用パイプ４８に送給するパイプである。３９Ａはコールドボックスであり、内部にパーライト等の断熱材が充填され真空吸引されている。それ以外の部分は、図２に示す実施の形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。
この装置を用い、つぎのようにして窒素ガスおよび酸素ガスを製造することができる。すなわち、図２に示す実施の形態と同様にし、空気圧縮機（空気圧縮手段）１から外部の空気を取り入れ、ここで空気を低圧で圧縮し、水分離器（図示せず）により圧縮された空気中の水分を除去し、その状態で第１吸着塔（酸素濃縮手段）２，３に送り込み、圧縮空気中の窒素ガス，水分，炭酸ガスおよび炭化水素ガス（Ｃn Ｈm ）等を吸着除去する。これにより、圧縮空気中の酸素ガスを濃縮する。ついで、第１吸着塔２，３を経た高濃度酸素含有圧縮空気Ｘを酸素空気圧縮機（酸素空気圧縮手段）１１に導入し、この酸素空気圧縮機１１により高濃度酸素含有圧縮空気Ｘをさらに圧縮し高濃度酸素含有圧縮空気Ｙとする。つぎに、この高濃度酸素含有圧縮空気Ｙを主熱交換器２１内に送り込んで超低温に冷却し、その状態で高圧精留塔２３の下部に導入する。ついで、高圧精留塔２３内で、この高濃度酸素含有圧縮空気Ｙと、低圧精留塔２８でつくられた還流液体とを向流接触させて圧縮空気を精留し、窒素と酸素の沸点の差（酸素の大気圧での沸点−１８３℃，同じく窒素の沸点−１９６℃）により、高濃度酸素含有圧縮空気Ｙ中の高沸点成分である酸素を液化させ、窒素を気体とする。
また、低圧精留塔２８の上部に溜まった窒素ガスを製品窒素ガス取出パイプ３６から取り出して過冷却器（熱交換器）４９に送り込み、主熱交換器２１に導入して主熱交換器２１で常温近くまで昇温させたのち、製品窒素ガスとして装置外に送り出す。他方、高圧精留塔２３の底部に溜った高濃度酸素含有液体空気２４を送給パイプ２９で過冷却器４９に送り込み、ここで冷却した気−液混合状態の高濃度酸素含有液体空気２４を低圧精留塔２８に送り込み、窒素を気化除去した液体酸素３４として低圧精留塔２８の底部に溜め、低圧精留塔２８底部の凝縮器３０を通る窒素ガスと熱交換させて気化させる。この気化させた酸素ガスを製品酸素ガス取出パイプ３５から取り出して主熱交換器２１に送り込み常温近くまで昇温させたのち、第１製品酸素圧縮機５２を経由した製品酸素ガスを低圧製品酸素ガス取出パイプ５３により装置外に送り出し、第２製品酸素圧縮機５４を経由した製品酸素ガスを高圧製品酸素ガス取出パイプ５５により装置外に送り出す。このようにして製品酸素ガスおよび窒素ガスが得られる。
上記のように、この実施の形態でも、図２の実施の形態と同様の作用・効果を奏する。
図４は本発明の空気分離装置のさらに他の実施の形態を示している。この実施の形態では、図２に示す実施の形態において、膨脹タービン３７に代えて、装置外からタンクローリー等で液体窒素（ＬＮ2 ）が供給される液体窒素貯槽（図示せず）を用い、その液体窒素を寒冷源としている以外は、実質的に図２に示す装置と同じである。すなわち、４７ａは液体窒素貯槽からの液体窒素を、寒冷源として高圧精留塔２３の上部に導入する導入パイプであり、この導入パイプ４７ａから導入された液体窒素と低圧精留塔２８下部の凝縮器３０で液化された液体窒素の一部とが、高圧精留塔２３の上部に導入される。それ以外の部分は、図２に示す実施の形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。
図５は本発明の空気分離装置のさらに他の実施の形態を示している。この実施の形態では、図１に示す実施の形態において、空気圧縮機１を経た圧縮空気を第１吸着塔２，３に送給する第１送給パイプ１ａと、第１吸着塔２，３を経た高濃度酸素含有圧縮空気Ｘを酸素空気圧縮機１１に導入する導入パイプ５７（図１には、符号５７を付していない）とを、開閉弁（もしくは流量調整弁）５８ａ付き連通パイプ５８で連通している。そして、上記開閉弁５８ａを開弁し、空気圧縮機１，水分離器（図示せず）を経た圧縮空気の一部を上記連通パイプ５８を介して直接に（すなわち、第１吸着塔２，３を経由させずに）導入パイプ５７に送り込むとともに、残部を第１吸着塔２，３を経由させて導入パイプ５７に送り込み、この導入パイプ５７で両者を合流させて、連通パイプ５８を介して導入パイプ５７に導入した圧縮空気の一部で、第１吸着塔２，３を経由させて導入パイプ５７に導入した圧縮空気の残部の酸素ガスの濃度を薄めるようにしている。それ以外の部分は、図１に示す実施の形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。この実施の形態でも、図１に示す実施の形態と同様の作用・ 効果を奏する。しかも、高圧精留塔２３の下部に供給される圧縮空気中の酸素ガスの濃度が低くなり、製品酸素ガス量を少なくすることができる。したがって、製品酸素ガス量を低減させたいときには、これに対応することができる。なお、このような開閉弁５８ａ付き連通パイプ５８は、図２〜図４に示す実施の形態においても、用いることができる。
１ 空気圧縮機
２，３ 第１吸着塔
１１ 酸素空気圧縮機
１２，１３ 第２吸着塔
２１ 主熱交換器
２３ 高圧精留塔
２８ 低圧精留塔
２，３ 第１吸着塔
１１ 酸素空気圧縮機
１２，１３ 第２吸着塔
２１ 主熱交換器
２３ 高圧精留塔
２８ 低圧精留塔
Claims (4)
- 外部より空気を取り入れて低圧で圧縮する空気圧縮手段と、この空気圧縮手段によって圧縮された圧縮空気中の酸素ガスを濃縮する酸素濃縮手段と、この酸素濃縮手段を経た高濃度酸素含有圧縮空気Ｘをさらに圧縮する酸素空気圧縮手段と、この酸素空気圧縮手段を経た高濃度酸素含有圧縮空気Ｙを冷却する熱交換器と、この熱交換器を経由し低温に冷却された高濃度酸素含有圧縮空気Ｙを各成分ガスの沸点差を利用して分離し酸素ガスを取り出す精留塔とを備えたことを特徴とする空気分離装置。
- 上記酸素濃縮手段を、圧縮空気中の窒素ガスを吸着する吸着剤を収容する吸着塔とし、上記吸着剤で圧縮空気中の水分等の不純物をも除去するようにした請求項１記載の空気分離装置。
- 酸素空気圧縮手段と熱交換器との間に、高濃度酸素含有圧縮空気Ｙ中の不純物を除去する除去手段を設けた請求項１または２記載の空気分離装置。
- 酸素濃縮手段を経た高濃度酸素含有圧縮空気Ｘを酸素空気圧縮手段に導入する導入路に、空気圧縮手段によって圧縮された圧縮空気の一部を、酸素濃縮手段を経由させることなく、直接供給するようにした請求項１〜３のいずれか一項に記載の空気分離装置。
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