JP2005134036A - 空気分離装置およびその運転方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 ＮＧの払出しができなくなっても、運転を継続することができると共に、ＢＯＧの発生を防止することができ、しかもＬＮＧの冷熱を十分に活用することを可能ならしめる空気分離装置を提供する。
【解決手段】 ＬＮＧの冷熱を利用して窒素ガスを冷却し、かつ断熱膨張させて液体窒素を製造する空気分離装置の窒素循環冷却機構３に、ＬＮＧタンク３５ａ、ＬＮＧポンプ３５ｂ、ＬＮＧの冷熱を蓄熱する冷熱蓄熱器３４ａを経てＬＮＧ加温器３７に至るＬＮＧ冷熱蓄熱流路３４を設けると共に、ＬＮＧタンク３５ａ、ＬＮＧポンプ３５ｂ、第２ＬＮＧ利用熱交換器３３ｅ、第１ＬＮＧ利用熱交換器３３ａ、冷熱蓄熱器３４ａ、第１窒素冷熱利用熱交換器３３ｃを経てＬＮＧタンク３５ａに戻る冷熱回収流路３５を設ける。
【選択図】 図４

Description

本発明は、特に、液化天然ガス（以下、ＬＮＧという。）の冷熱を利用して、大気から取り込んだ原料空気を窒素と酸素とに分離する空気分離装置およびその運転方法に関するものである。
周知のとおり、空気分離装置は空気中の窒素と酸素とを分離して取出すものであり、圧縮・冷却・膨張サイクルからなる寒冷発生装置を備えている。このような寒冷発生装置に加えて、ＬＮＧの冷熱を利用することによって、空気の分離、および液体製品（液体酸素、液体窒素、液体アルゴン等）の製造に必要な圧縮動力を大幅に低減させるようにした空気分離装置がある。このような空気分離装置としては、例えば、その系統図の図１０に示すような構成になるものが公知である。以下、この従来例に係る空気分離装置の概要を、その系統図の図１０を参照しながら説明する。
図に示す符号５０は、従来例に係る空気分離装置である。この従来例に係る空気分離装置５０の場合、図示しない吸着塔等で前処理（水分や炭酸ガス等を除去する。）された原料ガスは、主熱交換器５１を通じて精留塔高圧塔（以下、高圧精留塔という。）５２Ｈ内に導入される。そして、この高圧精留塔５２Ｈ内の底部から精留塔低圧塔（以下、低圧精留塔という。）５２Ｌの中腹部に酸素リッチの液体空気が送られると共に、高圧精留塔５２Ｈの上段から低圧精留塔５２Ｌの塔頂に液体窒素が送られる。低圧精留塔５２Ｌの塔底液は、弁５３を通じて製品酸素として図示しない液体酸素タンク内に取出される。
一方、前記低圧精留塔５２Ｌの塔頂ガス（窒素ガス）は、前記主熱交換器５１で前記前処理済の原料ガスと熱交換した後、窒素予冷器５４、窒素冷却器５５、複数段の循環圧縮機５６、および窒素凝縮器５７を順に通って凝縮し、液窒分離器５８で気液分離される。液窒分離器５８の気相成分は、前記窒素凝縮器５７および窒素冷却器５５を通じて循環圧縮機５６に戻される一方、液相成分は空気分離装置５０に液体窒素として還元される。より具体的には、当該液体窒素の一部は弁６０を通じて前記高圧精留塔５２Ｈ内に還元され、残りは弁５９を通じて図示しない液体窒素タンク内に取出される。
前記窒素予冷器５４、窒素冷却器５５、および窒素凝縮器５７は熱交換器であって、これらの熱交換器を通じて、図示しないＬＮＧ貯槽から抽出されるＬＮＧと窒素ガスとの熱交換が行われる。そして、この熱交換によってＬＮＧの昇温および蒸発と窒素ガスの凝縮とが同時に行われる（特許文献１参照。）。
特開２００２−２９５７９９号公報
ところで、上記従来例に係る空気分離装置の場合には、後述するような問題があった。
（１）天然ガス（ＮＧ）の需要がなくなって払出しができなくなった場合には、循環圧縮機から吐出される圧縮ガスを冷却する中間冷却媒体がないため、循環圧縮機の運転を停止しなければならない。つまり、循環圧縮機の運転停止と、立ち上げ運転とを繰返さなければならず、空気分離装置の稼働率の低下を回避することができなかった。
（２）また、ＬＮＧの使用量が大きく変動するため、空気分離装置は最小のＬＮＧ使用可能量に合わせて設計しなければならず、ＬＮＧの冷熱を十分に有効活用することができなかった。
（３）さらに、運転停止中の入熱によりＬＮＧタンク内に残されているＬＮＧの気化により自然気化ガス（ＢＯＧ）が生じ、ＬＮＧタンクの内圧が上昇して危険であるため、ＬＮＧタンク内のＢＯＧを廃棄しなければならず、経済的に不利になるという問題があった。
従って、本発明の目的は、ＮＧの払出しができなくなっても、運転を継続することができると共に、ＢＯＧの発生を防止することができ、しかもＬＮＧの冷熱を十分に有効活用することを可能ならしめる空気分離装置およびその運転方法を提供することである。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、従って本発明の請求項１に係る空気分離装置が採用した手段は、大気から原料空気を取り込んで所定圧力まで圧縮する空気圧縮機と、この空気圧縮機で圧縮された圧縮空気を浄化するＭＳ吸着器と、このＭＳ吸着器で浄化された圧縮空気を、主熱交換器を通して冷却した後に酸素と窒素とに精留分離する精留塔と、この精留塔で分離され、かつ前記主熱交換器を介して取出されると共に、循環圧縮機で圧縮された圧縮窒素ガスをＬＮＧの冷熱で冷却するＬＮＧ利用熱交換器が介装され、前記循環圧縮機から吐出された圧縮窒素ガスを断熱膨張させる膨張タービンが介装されてなる窒素循環流路を有する窒素循環冷却機構を備えた空気分離装置において、前記窒素循環冷却機構に、ＬＮＧタンク、ＬＮＧポンプ、ＬＮＧの冷熱を蓄熱する冷熱蓄熱器を経てＬＮＧ加温器に至るＬＮＧ冷熱蓄熱流路を設けると共に、ＬＮＧタンク、ＬＮＧポンプ、前記ＬＮＧ利用熱交換器、冷熱蓄熱器、前記窒素循環冷却機構で発生する寒冷を利用する寒冷利用熱交換器を経てＬＮＧタンクに戻る冷熱回収流路を設けたことを特徴とするものである。
本発明の請求項２に係る空気分離装置が採用した手段は、請求項１に記載の空気分離装置において、前記窒素循環流路の前記循環圧縮機の下流側に、前記膨張タ−ビンで駆動されて前記循環圧縮機で圧縮された圧縮窒素ガスの圧力を上昇させる昇圧機を介装したことを特徴とするものである。
本発明の請求項３に係る空気分離装置が採用した手段は、請求項１に記載の空気分離装置において、前記窒素循環流路の前記循環圧縮機から前記膨張タービンに連通する流路の間に、循環冷凍機が介装されてなる分岐流路を設けたことを特徴とするものである。
本発明の請求項４に係る空気分離装置の運転方法が採用した手段は、ＬＮＧタンクから十分な量のＬＮＧを供給することができるときには、ＬＮＧの冷熱による圧縮窒素ガスの冷却と並行してＬＮＧの冷熱を冷熱蓄熱器に蓄熱し、蓄熱後のＬＮＧはＬＮＧ加温器で気化させて天然ガスを製造する一方、ＬＮＧタンクから供給できるＬＮＧの供給量が少ないときには、ＬＮＧタンクからＬＮＧポンプを経て供給したＬＮＧの冷熱で圧縮窒素ガスを冷却して自らは昇温して１部または全てがガス化するこのＬＮＧまたはＮＧを、ＬＮＧタンクからＬＮＧポンプを経て供給したＬＮＧに合流させてＬＮＧの２相流とした後に、前記冷熱蓄熱器に流入させて２相流のＬＮＧを液化することで冷熱を回収すると共に、冷熱回収後のＬＮＧを前記ＬＮＧタンクに戻すことを特徴とするものである。
本発明の請求項５に係る空気分離装置の運転方法が採用した手段は、請求項４に記載の空気分離装置の運転方法において、前記冷熱回収後のＬＮＧをＬＮＧタンクに戻す前に、窒素循環冷却機構で発生する寒冷を利用して冷却することを特徴とするものである。
本発明の請求項１乃至３に係る空気分離装置、または本発明の請求項４または５に係る空気分離装置の運転方法によれば、ＮＧの需要が多い場合にはＬＮＧの冷熱の蓄熱と並行して循環圧縮機で圧縮された圧縮窒素ガスをＬＮＧの冷熱で冷却して液体窒素の製造運転を実施することができる。また、ＮＧの需要がない場合でも冷熱蓄熱器に蓄熱した冷熱を利用することで循環圧縮機の運転を継続することができる。従って、従来例に係る空気分離装置と異なり、ＮＧの需要がなくなって払出しができなくなっても運転を継続することができるから、空気分離装置の稼働率が向上し、液体窒素の生産性の向上に寄与することができる。また、ＬＮＧタンクに戻るＬＮＧを窒素循環冷却機構で発生する寒冷で過冷却してＬＮＧタンクに戻すことでＬＮＧタンク内のＬＮＧが冷却され、ＢＯＧの発生を抑制することができるから、ＢＯＧを廃棄する必要がなくなる。
本発明の請求項２に係る空気分離装置によれば、窒素循環流路の循環圧縮機の下流側に、膨張タ−ビンで駆動されて循環圧縮機で圧縮された圧縮窒素ガスの圧力を上昇させる昇圧機が介装されている。従って、より高圧の圧縮窒素ガスを断熱膨張させることにより、窒素循環流路の液体窒素の生産効率が向上する。また、昇圧機および膨張タービンを２台以上設置することにより、窒素循環流路の液体窒素の生産効率をさらに向上させることができる。
本発明の請求項３に係る空気分離装置によれば、窒素循環流路の前記循環圧縮機から前記膨張タービンに連通する流路の間に、循環冷凍機が介装されてなる分岐流路が設けられている。循環冷凍機を窒素循環流路に設置することにより循環圧縮機の窒素ガスの流量を減らすことができるので、窒素循環流路の液体窒素の生産効率が向上する。
以下、本発明の空気分離方法を実施する空気分離装置を、添付図面を参照しながら説明する。図１は本発明の形態1に係る空気分離装置の模式的系統図、図２は本発明の形態1に係る空気分離装置の原料空気処理部の模式的系統説明図、図３は本発明の形態１に係る空気分離装置のコールドボックスと液体窒素過冷却部のコールドボックスとの模式的系統説明図、図４は本発明の形態１に係る空気分離装置の窒素循環冷却機構の模式的系統説明図である。各図に記載されている温度は、各機器類の出入口におけるＬＮＧまたはＮＧの温度である。
本発明の形態１に係る空気分離装置は、主として後述する４つの主要部から構成されている。第１の主要部は、大気から原料空気を取り込んで所定圧力まで圧縮すると共に、圧縮空気を浄化する原料空気処理部１である。第２の主要部は、主熱交換器と、精留塔と、過冷却器等を収容したコールドボックス２である。また、第３の主要部は、前記コールドボックス２から排出された窒素ガスを圧縮すると共に、圧縮された窒素ガスをＬＮＧ利用熱交換器と、膨張タービンとで冷却して液体窒素を製造する窒素循環冷却機構３である。
そして、第４の主要部は、前記窒素循環冷却機構３で製造された液体窒素と低温の窒素ガスとを分離すると共に、液体窒素を過冷却して液体窒素製品とする液体窒素過冷却ボックス４である。以下、本発明の形態に係る空気分離装置を構成する、これら主要部の構成を、図面を順次参照しながら説明する。
前記原料空気処理部１は、図２に示すように構成されている。即ち、吸込フィルタ１１を介して大気から空気圧縮機１２に吸込まれた原料空気は、この空気圧縮機１２で所定圧力、例えば０．６ＭＰａまで圧縮される。この空気圧縮機１２から吐出された原料空気は冷却媒体と熱交換するクーラ１３により冷却された後にＭＳ吸着器１４に導入され、水分や炭酸ガス等が除去される。ＭＳ吸着器１４は２個並列配設されており、通常、原料空気は何れか一方のＭＳ吸着器１４に導入され、他方の使用に供されないＭＳ吸着器１４の図示しない吸着剤は、再生電気ヒータ１５を通って加熱された窒素ガスによって吸着機能が再生された後、切り替えするように構成されている。
つまり、交互に使用することによって、ＭＳ吸着器１４の再生のために空気分離装置の運転を停止することのないように配慮されている。ＭＳ吸着器１４により水分や炭酸ガス等が除去された原料空気は、図２に示す流路Ａを介してコールドボックス２に送られるように構成されている。なお、前記再生電気ヒータ１５は、後述するコールドボックス２に収納されている低圧精留塔２２から、図２に示す流路Ｂを介して供給される窒素ガスを加熱し、この加熱した窒素ガスをＭＳ吸着器１４に供給することにより吸着剤を再生させるものである。そして、ＭＳ吸着器１４の吸着剤を再生した後の窒素ガスはサイレンサ１６から大気中に放出される。
前記コールドボックス２内には、図３の左側に示すような複数種の機器類が収容されている。これら機器類は、主熱交換器２１、上部の低圧精留塔２２、下部の高圧精留塔２３、および過冷却器２４である。即ち、前記原料空気処理部１で処理され、流路Ａを介して主熱交換器２１に送られた原料空気は、この主熱交換器２１で冷却される。そして、原料空気は、低圧精留塔２２の頂部から過冷却器２４を介して取出された高純度窒素ガス、低圧精留塔２２の上部付近から過冷却器２４を介して取出された低純度窒素ガス（前記ＭＳ吸着器１４に供給される。）、および高圧精留塔２３から取出された高純度窒素ガスと熱交換することにより冷却される。
前記主熱交換器２１を通過した冷却空気は、高圧精留塔２３の底部に供給される。この高圧精留塔２３に供給された冷却空気は、塔内を上昇する間に次第に窒素リッチになり、高圧精留塔２３の頂部では高純度窒素となる。高純度窒素の一部は、高圧精留塔２３からガス状で抜き出され、主熱交換器２１を通って加熱されて系外に送出される。残部は主凝縮器２６に導かれ、冷却、凝縮されて液体窒素となる。凝縮された液体窒素の一部は、高圧精留塔２３の上部より抜出され、前記過冷却器２４を通って過冷却され、減圧された後に低圧精留塔２２の頂部に供給される。残りの液体窒素は塔内を流下する間に次第に酸素リッチになり、高圧精留塔２３の底部に液体空気２５として溜まる。液体空気２５は、高圧精留塔２３から引出された後に、過冷却器２４で過冷却されて低圧精留塔２２の中部に導入される。
前記低圧精留塔２２の中部に導入された酸素リッチな液体空気２５は塔内を流下しながら次第に酸素が凝縮され、底部において高純度酸素となる。そして、この低圧精留塔２２の底部に溜まった液体酸素は、液体酸素製品として系外に取出されるようになっている。
一方、低圧精留塔２２の頂部から過冷却器２４を介して取出された高純度窒素ガス、および高圧精留塔２３から取出された高純度窒素ガスは主熱交換器２１において原料空気と熱交換した後、図３に示す流路Ｃ，Ｄを介して送出され、それぞれ窒素循環冷却機構３に送られる。
前記窒素循環冷却機構３は、図４に示すように構成されている。流路Ｃから窒素循環冷却機構３に送り込まれた窒素ガスは窒素圧縮機３１により、流路Ｄから導かれた窒素ガスの圧力と等しい圧力になるまで圧縮された後に、Ｄ流路から導かれた窒素ガスとが合流して、循環圧縮機３２に導かれるようになっている。循環圧縮機３２から吐出された窒素ガスは、窒素循環流路３３を循環するように構成されている。より詳しくは、循環圧縮機３２から吐出されて窒素循環流路３３を流れる窒素ガスは、ＬＮＧの冷熱を利用する第１ＬＮＧ利用熱交換器３３ａで冷却され、冷却された窒素ガスの大部分が膨張タービン３３ｂに至り、断熱膨張させられた窒素ガスは、ＬＮＧを過冷却するための第１窒素冷熱利用熱交換器３３ｃ、膨張タービン３３ｂに分岐されなかった残り窒素を液化させる第２窒素冷熱利用熱交換器３３ｄ、ＬＮＧの冷熱を利用して窒素を冷却する第２ＬＮＧ利用熱交換器３３ｅの順に循環するように構成されている。なお、第１ＬＮＧ利用熱交換器３３ａは、窒素圧縮機３１に吸込まれる窒素ガス、循環圧縮機３２に吸込まれる窒素ガスも冷却するようになっている。
また、前記窒素循環冷却機構３には、ＬＮＧタンク３５ａ、ＬＮＧポンプ３５ｂ、ＬＮＧの冷熱を蓄熱する冷熱蓄熱器３４ａを経てＬＮＧ加温器３７に連通するＬＮＧ冷熱蓄熱流路３４が設けられている。さらに、前記窒素循環冷却機構３には、ＬＮＧタンク３５ａ、ＬＮＧポンプ３５ｂ、第２ＬＮＧ利用熱交換器３３ｅ、第１ＬＮＧ利用熱交換器３３ａ、冷熱蓄熱器３４ａ、第１窒素冷熱利用熱交換器３３ｃを経てＬＮＧタンク３５ａに戻る冷熱回収流路３５が設けられている。そして、この冷熱回収流路３５の第１ＬＮＧ利用熱交換器３３ａから出た部分から、予冷器３３ｆを経由するＮＧ排出流路３６がＬＮＧ加温器３７に連通している。
ＮＧ排出流路３６とＬＮＧ冷熱蓄熱流路３４とは別々のＬＮＧ加温きに連通する構成であってもよい。ＬＮＧ加温器３７としては、例えば海水によるＯＲＶ（Ｏｐｅｎ Ｒａｃｋ Ｖａｐｏｒｉｚｅｒ）であってもよく、また循環水による蒸発器であってもよい。また、この場合、流路Ｃ，Ｄを介して窒素圧縮機３１および循環圧縮機３２に吸込まれる窒素ガスを予冷する予冷器３３ｆや第１ＬＮＧ利用熱交換器３３ａ、第２ＬＮＧ利用熱交換器３３ｅ、第１窒素冷熱利用熱交換器３３ｃ、第２窒素冷熱利用熱交換器３３ｄは各一体化設計してもよく、分割してもよい。なお、冷熱蓄熱器３４ａに用いる蓄熱剤の候補としては，Ｎ−ペンタン、Ｎ−ヘキサン、エタノール、メチルシクロヘキサン、１−プロパロール等を挙げることができる。
前記循環圧縮機３２で圧縮されると共に、前記第１ＬＮＧ利用熱交換器３３ａで冷却された窒素ガスの一部は、上記のとおり、膨張タービン３３ｂにより膨張させられるが、他の窒素ガスは、途中で分岐して第２ＬＮＧ利用熱交換器３３ｅ、第２窒素冷熱利用熱交換器３３ｄを通る流路Ｅを流れる間に冷却され、液体窒素となって図４に示す液体窒素過冷却ボックス４に送り込まれるように構成されている。
前記液体窒素過冷却ボックス４の内部には、図３の右側に示すように、主として気液分離器４１と液体窒素過冷却器４２が収容されている。即ち、流路Ｅを介して前記窒素循環冷却機構３から供給される液体窒素は、気液分離器４１で低温の窒素ガス４６と液体窒素４７とに分離される。気液分離器４１で分離された窒素ガス４６の一部は低圧精留塔２２に送られ、残りは流路Ｆを介して膨張タービン３４から吐出される窒素ガスに合流する。一方、液体窒素４７は液体窒素過冷却器４２で過冷却されて液体窒素製品として系外に取出される。前記液体窒素４７の一部は気液分離器４１の流出口付近で分岐して高圧精留塔２４の頂部に送出される。
また、気液分離器４１の出口から液体窒素流路４３が分岐しており、この液体窒素流路４３を介して液体窒素の一部が液体窒素製品の過冷却に使用されるようになっている、前記液体窒素流路４３には、液体窒素製品となる液体窒素の温度を検出する液体窒素温度検出センサ４５の検出温度に基づいて開度が制御される流量制御弁４４が介装されると共に、前記液体窒素過冷却器４２を介して液体窒素製品となる液体窒素を過冷却するように構成されている。これにより、所定温度範囲内に過冷却された窒素製品が製造されることとなる。
本発明の形態１に係る窒素循環冷却機構３によれば、下記の２通りの運転を行うことができる。即ち、ＬＮＧタンク３５ａから供給できるＬＮＧの供給量が多いときには、第１，２ＬＮＧ利用熱交換器３３ａ，３３ｅによる圧縮窒素ガスの冷却と並行して、ＬＮＧ冷熱蓄熱流路３４にＬＮＧを供給してＬＮＧの冷熱を冷熱蓄熱器３４ａに蓄熱し、蓄熱後のＬＮＧをＬＮＧ加温器３７で気化させてＮＧを製造することができる。一方、ＬＮＧタンク３５ａから供給できるＬＮＧの供給量が少ないときには、ＬＮＧタンク３５ａからＬＮＧポンプ３５ｂを介して冷熱回収流路３５に供給したＬＮＧの冷熱で圧縮窒素ガスを冷却して、自らは昇温して１部または全部がガス化するこのＬＮＧまたはＮＧを、ＬＮＧタンク３５ａからＬＮＧポンプ３５ｂを介して供給したＬＮＧに合流させてＬＮＧの気液２相流にする。そして、このＬＮＧの気液２相流を前記冷熱蓄熱器３４ａに流入させて気液２相流を液化させることで冷熱を回収すると共に、冷熱回収後のＬＮＧを前記第１窒素冷熱利用熱交換器３３ｃで冷却してＬＮＧタンク３５ａに戻すことができる。なお、この場合には、断熱膨張させた窒素ガスの冷熱を利用するようにしているが、例えば窒素循環冷却機構３で得られる液体窒素の冷熱を利用することができる。
本発明の形態１に係る空気分離装置によれば、下記の通の効果を得ることができる。
（１） ＮＧの需要がなくなって払出しができなくなった場合でも、ＬＮＧを冷熱回収流路３５に供給して循環させることにより循環圧縮機３２から吐出される圧縮窒素ガスを冷却することができる。つまり、従来のように、循環圧縮機３２の運転を停止する必要がなく、ＮＧの需要量の多少に拘らず運転を継続することができるから、空気分離装置の稼働率が向上する。
（２） また、ＬＮＧの使用量が大きく変動しても、空気分離装置を最小のＬＮＧ使用可能量に合わせて設計する必要がないので、ＬＮＧの冷熱を十分に有効活用することができる。
（３） さらに、ＬＮＧタンク３５ａから冷熱回収流路３５に供給されたＬＮＧは、冷熱蓄熱器３４ａに蓄熱されている冷熱を回収すると共に、第１窒素冷熱利用熱交換器３３ｃで過冷却されてＬＮＧタンク３５ａに戻される。従って、ＬＮＧの過冷却度によりＬＮＧタンク３５ａ内のＢＯＧの発生を抑制するか、またはＬＮＧタンク３５ａ内のＢＯＧを液化させてＬＮＧタンク３５ａの内圧を低下させることができる。そのため、ＬＮＧタンク３５ａ内のＢＯＧを廃棄する必要がなく、経済的に有利になる。
窒素循環冷却機構３の冷熱回収回路３５としては、窒素循環冷却機構３の模式的部分系統説明図（本発明の形態１に係る変形例１）の図５に示すように、ＬＮＧタンク３５ａに、ＬＮＧ供給元タンク３８ａ内のＬＮＧをＬＮＧ供給元ポンプ３８ｂで供給する構成にすることができる。また，この窒素循環冷却機構３の模式的部分系統説明図（本発明の形態１に係る変形例２）の図６に示すように、流路Ｃの高純度窒素ガスを窒素圧縮機３１で圧縮し、これに流路Ｄの高純度窒素ガスを混入させると共に、予冷器３３ｆ、第１ＬＮＧ利用熱交換器３３ａを介して循環圧縮機３２に供給する構成にすることができる。なお、循環圧縮機３２の吸込温度の設計によっては、必ずしも予冷器３３ｆを必要としないものである。
本発明の形態２に係る空気分離装置を、その窒素循環冷却機構の模式的系統説明図の図７を参照しながら説明する。なお、本発明の形態２に係る空気分離装置の原料空気処理部、コールドボックス、液体窒素過冷却ボックスの構成は、上記形態１に係る空気分離装置と同構成であって、窒素循環冷却機構が相違するだけであるから、同一のものに同一符号を付し、かつ同一名称を以ってその相違する点について説明する、
本発明の形態２に係る空気分離装置の窒素循環冷却機構３では、窒素循環流路３３の循環圧縮機３２の下流側に、前記循環圧縮機３２により圧縮されると共に、第１ＬＮＧ利用熱交換器３３ａで冷却された圧縮窒素ガスをさらに圧縮する循環タービン圧縮機(昇圧機)３３ｇが介装されている。この循環タービン圧縮機３３ｇは、前記膨張タービン３３ｂで駆動されるようになっており、この循環タービン圧縮機３３ｇで圧縮された圧縮窒素ガスは第１ＬＮＧ利用熱交換器３３ａで冷却された後に膨張タービン３３ｂで断熱膨張されるように構成されている。
本実施の形態２に係る空気分離装置によれば、窒素循環冷却機構３の窒素循環流路３３に循環タービン圧縮機３３ｇが追加されただけであるから、上記形態１に係る空気分離装置と同等の効果を得ることができる。但し、より高圧の圧縮窒素ガスを断熱膨張させることにより窒素循環流路３３の液体窒素の生産効率が向上するので、上記形態１に係る空気分離装置の窒素循環流路よりも優れている。また、循環タービン圧縮機３３ｇおよび膨張タービン３３ｂを２台以上設置することにより、窒素循環流路３３の液体窒素の生産効率をさらに向上させることができる。
本発明の形態３に係る空気分離装置を、その窒素循環冷却機構の模式的系統説明図の図８を参照しながら説明する。なお、本発明の形態３に係る空気分離装置の原料空気処理部、コールドボックス、液体窒素過冷却ボックスの構成は、上記形態１に係る空気分離装置と同構成であって、窒素循環冷却機構が相違するだけであるから、同一のものに同一符号を付し、かつ同一名称を以ってその相違する点について説明する、
本発明の形態３に係る空気分離装置の窒素循環冷却機構３では、窒素循環流路３３の循環圧縮機３２から膨張タービン３３ｂに連通する流路の間に、循環冷凍機３３ｉが介装されてなる分岐流路３３ｈが設けられている。前記循環冷凍機３３ｉは液体窒素、または冷媒を用いるもので、この循環冷凍機３３ｉで冷却した圧縮質素ガスと第１ＬＮＧ利用熱交換器３３ａで冷却した圧縮窒素ガスとを合流させた後、膨張タービン３３ｂで断熱膨張されるように構成されている
本実施の形態３に係る空気分離装置によれば、窒素循環冷却機構３の窒素循環流路３３に循環冷凍機３３ｉが介装されてなる分岐流路３３ｈが追加されただけであるから、上記形態１に係る空気分離装置と同等の効果を得ることができる。循環タービン圧縮機３３ｇを窒素循環流路３３に設置することにより、循環圧縮機３２の窒素ガスに流量を減らすことができるので、窒素循環流路３３の液体窒素の生産効率については、上記形態１に係る空気分離装置の窒素循環流路よりも優れている。
本発明の形態４に係る空気分離装置を、その窒素循環冷却機構の模式的系統説明図の図９を参照しながら説明する。なお、本発明の形態３に係る空気分離装置の原料空気処理部、コールドボックス、液体窒素過冷却ボックスの構成は、上記形態１に係る空気分離装置と同構成であって、窒素循環冷却機構が相違するだけであるから、同一のものに同一符号を付し、かつ同一名称を以ってその相違する点について説明する、
即ち、本発明の形態４に係る空気分離装置の窒素循環流路３３は、循環圧縮機３２の吐出口から第１ＬＮＧ利用熱交換器３３ａ、膨張タービン３３ｂ、第１窒素冷熱利用熱交換器３３ｃ、第２窒素冷熱利用熱交換器３３ｄ、第２ＬＮＧ利用熱交換器３３ｅ、第１ＬＮＧ利用熱交換器３３ａを介して循環圧縮機３２の吸込口に連通している。
そして、窒素循環流路３３の循環圧縮機３２の吸込口の付近に、窒素圧縮機３１で圧縮された流路Ｃの高純度窒素ガスと、流路Ｄの高純度窒素ガスとの混合ガスが供給されるように構成されている。ＬＮＧ冷熱蓄熱流路３４と冷熱回収流路３５の経路は上記形態１の場合と同様である。
本発明の形態４に係る空気分離装置では、窒素循環冷却機構３に予冷器が設けられていない。また、窒素循環流路３３は循環圧縮機３２の吐出口から第１ＬＮＧ利用熱交換器３３ａ、膨張タービン３３ｂ、第１窒素冷熱利用熱交換器３３ｃ、第２窒素冷熱利用熱交換器３３ｄ、第２ＬＮＧ利用熱交換器３３ｅ、第１ＬＮＧ利用熱交換器３３ａを経由しており、この窒素循環流路３３を循環する窒素ガスは、ＬＮＧ（気液）が−５０℃以上になるまで熱交換される。循環圧縮機３２の吸込温度が常温である以外は、ＬＮＧ冷熱蓄熱流路３４と冷熱回収流路３５の経路は上記形態１の場合と同様であるから、本発明の形態４に係る空気分離装置によれば、上記形態１に係る空気分離装置と同等の効果を得ることができるが、通常の常温循環圧縮機を採用することができる。
ところで、本発明の形態４に係る窒素循環冷却機構３の冷熱回収流路３５の場合には、上記のとおり、ＬＮＧタンク３５ａからＬＮＧポンプ３５ｂを介して供給されるＬＮＧは、第２ＬＮＧ利用熱交換器３３ｅ、第１ＬＮＧ利用熱交換器３３ａを経由して冷熱蓄熱器３４ａに連通している。しかしながら、例えば第２ＬＮＧ利用熱交換器３３ｅだけ経由させて冷熱蓄熱器３４ａに連通させる構成（例えば、ＬＮＧは−１００℃になるまで熱交換される。）にすることができ、また第２ＬＮＧ利用熱交換器３３ｅの半分だけ経由させて冷熱蓄熱器３４ａに連通させる構成（例えば、ＬＮＧは−１３０℃になるまで熱交換される。）にすることもできる。
なお、以上の形態においては、何れもＬＮＧタンクから供給できるＬＮＧの供給量が多いときにはＬＮＧの冷熱を蓄熱し、ＬＮＧタンクから供給できるＬＮＧの供給量が少ないときには蓄熱した冷熱を回収して運転を継続するという、本発明の技術的思想を空気分離装置に適用した場合を説明した。しかしながら、本発明の技術的思想を、空気分離装置に対してだけでなく、空気分離系統を持たない寒冷発生装置の循環系統に対しても適用することができる。
本発明の形態１に係る空気分離装置の模式的系統図である。 本発明の形態１に係る空気分離装置の原料空気処理部の模式的系統説明図である。 本発明の形態１に係る空気分離装置のコールドボックスと液体窒素過冷却部のコールドボックスとの模式的系統説明図である。 本発明の形態１に係る空気分離装置の窒素循環冷却機構の模式的系統説明図である。 本発明の形態１に係る変形例１に関し、窒素循環冷却機構の模式的部分系統説明図である。 本発明の形態１に係る変形例２に関し、窒素循環冷却機構の模式的部分系統説明図である。 本発明の形態２に係る空気分離装置の窒素循環冷却機構の模式的系統説明図である。 本発明の形態３に係る空気分離装置の窒素循環冷却機構の模式的系統説明図である。 本発明の形態４に係る空気分離装置の窒素循環冷却機構の模式的系統説明図である。 従来例に係る空気分離装置の系統図である。
符号の説明
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ…流路
１…原料空気処理部，１１…吸込フィルタ，１２…空気圧縮機，１３…クーラ、１４…ＭＳ吸着器，１５…再生電気ヒータ，１６…サイレンサ
２…コールドボックス，２１…主熱交換器，２２…低圧精留塔，２３…高圧精留塔，２４…過冷却器，２５…酸素リッチな液体空気，２６…主凝縮器
３…窒素循環冷却機構，３１…窒素圧縮機，３２…循環圧縮機，３３…窒素循環流路，３３ａ…第１ＬＮＧ利用熱交換器，３３ｂ…膨張タービン，３３ｃ…第１窒素冷熱利用熱交換器，３３ｄ…第２窒素冷熱利用熱交換器，３３ｅ…第２ＬＮＧ利用熱交換器，３３ｆ…予冷器，３３ｇ…循環タービン圧縮機，３３ｈ…分岐流路，３３ｉ…循環冷凍機，３４…ＬＮＧ冷熱蓄熱流路，３４ａ…冷熱蓄熱器，３５…冷熱回収流路，３５ａ…ＬＮＧタンク，３５ｂ…ＬＮＧポンプ，３６…ＮＧ排出流路，３７…ＬＮＧ加温器，３８ａ…ＬＮＧ供給元タンク，３８ｂ…ＬＮＧ供給元ポンプ
４…液体窒素過冷却ボックス，４１…気液分離器，４２…液体窒素過冷却器，４３…液体窒素流路，４４…流量制御弁，４５…液体窒素温度検出センサ、４６…低温の窒素ガス，４７…液体窒素

Claims (5)

  1. 大気から原料空気を取り込んで所定圧力まで圧縮する空気圧縮機と、この空気圧縮機で圧縮された圧縮空気を浄化するＭＳ吸着器と、このＭＳ吸着器で浄化された圧縮空気を、主熱交換器を通して冷却した後に酸素と窒素とに精留分離する精留塔と、この精留塔で分離され、かつ前記主熱交換器を介して取出されると共に、循環圧縮機で圧縮された圧縮窒素ガスを液化天然ガスの冷熱で冷却する液化天然ガス利用熱交換器が介装され、前記循環圧縮機から吐出された圧縮窒素ガスを断熱膨張させる膨張タービンが介装されてなる窒素循環流路を有する窒素循環冷却機構を備えた空気分離装置において、前記窒素循環冷却機構に、液化天然ガスタンク、液化天然ガスポンプ、液化天然ガスの冷熱を蓄熱する冷熱蓄熱器を経て液化天然ガス加温器に至る液化天然ガス冷熱蓄熱流路を設けると共に、液化天然ガスタンク、液化天然ガスポンプ、前記液化天然ガス利用熱交換器、冷熱蓄熱器、前記窒素循環冷却機構で発生する寒冷を利用する寒冷利用熱交換器を経て液化天然ガスタンクに戻る冷熱回収流路を設けたことを特徴とする空気分離装置。
  2. 前記窒素循環流路の前記循環圧縮機の下流側に、前記膨張タ−ビンで駆動されて前記循環圧縮機で圧縮された圧縮窒素ガスの圧力を上昇させる昇圧機を介装したことを特徴とする請求項１に記載の空気分離装置。
  3. 前記窒素循環流路の前記循環圧縮機から前記膨張タービンに連通する流路の間に、循環冷凍機が介装されてなる分岐流路を設けたことを特徴とする請求項１に記載の空気分離装置。
  4. 液化天然ガスタンクから十分な量の液化天然ガスを供給することができるときには、液化天然ガスの冷熱による圧縮窒素ガスの冷却と並行して液化天然ガスの冷熱を冷熱蓄熱器に蓄熱し、蓄熱後の液化天然ガスは液化天然ガス加温器で気化させて天然ガスを製造する一方、液化天然ガスタンクから供給できる液化天然ガスの供給量が少ないときには、液化天然ガスタンクから液化天然ガスポンプを経て供給した液化天然ガスの冷熱で圧縮窒素ガスを冷却して自らは昇温して１部または全てがガス化するこの液化天然ガスまたは天然ガスを、液化天然ガスタンクから液化天然ガスポンプを経て供給した液化天然ガスに合流させて液化天然ガスの２相流とした後に、前記冷熱蓄熱器に流入させて２相流の液化天然ガスを液化することで冷熱を回収すると共に、冷熱回収後の液化天然ガスを前記液化天然ガスタンクに戻すことを特徴とする空気分離装置の運転方法。
  5. 前記冷熱回収後の液化天然ガスを液化天然ガスタンクに戻す前に、窒素循環冷却機構で発生する寒冷を利用して冷却することを特徴とする請求項４に記載の空気分離装置の運転方法。

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