JP2013007512A - 空気分離方法および空気分離装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】取扱いの難しい酸素ガスを圧縮することがないため安全で、導入初期費用や消費エネルギーも少なく、経済性に優れる空気分離方法および空気分離装置を提供する。
【解決手段】深冷分離により空気の成分を精留する精留塔１で用いる還流液を作製する窒素ガス液化工程および還流液供給工程に必要な寒冷を、精留塔１の頂部１ａから取り出した高純度の窒素ガスを製品窒素膨張タービン４で断熱膨張させる製品窒素ガス導出工程から得るとともに、上記精留塔１の頂部１ａから取り出した窒素ガスの一部を、窒素冷却器６，リボイラー８，過冷却器７の順に通過させて液化させ、精留塔１の上部に導入する。これにより、精留塔１内の酸素を寒冷として使用することなく、還流液を効率的に冷却することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気の成分を分離する空気分離方法および空気の成分を精留により分離する空気分離装置に関するものである。
深冷分離法は、複数の成分からなる混合気体を液化点に近い温度まで冷却（深冷）し、深冷された混合気体を精留して成分分離する方法である。この深冷分離法を利用して空気を成分分離する方法は、これまでも多数提案されているが、そのなかでも、少ない動力（エネルギー）で経済的に成分分離を行うことができる方法として、単式の精留塔から取り出された窒素ガスの一部を液化し、これを精留塔に還流させる方式（特許文献１）がある。
図７は、上記特許文献１に記載の発明にかかる空気分離装置の概略構成を示すフロー図である。この空気分離装置は、単式の精留塔２０を備えるものであり、空気圧縮機等（図示省略）で圧縮された原料空気を、主熱交換器２２で冷却した後、精留塔２０に導入してその内部で深冷分離により精留し、その底部側に液体酸素を溜め、その上部側に窒素ガスを溜める。なお、図中の符号２１は酸素圧縮機、２３は循環窒素圧縮機、２４，２５は膨張タービン、２６〜２９はそれぞれ熱交換器である。
上記特許文献１に開示の空気分離方法は、精留塔２０から取り出された流体の断熱圧縮および断熱膨張と、流体相互の熱交換を利用する。具体的には、精留塔２０から取り出された窒素ガスの一部を循環窒素圧縮機２３で断熱圧縮して温度および圧力を上昇させる窒素圧縮工程と、精留塔２０から取り出された液体酸素の一部を膨張弁Ｖ等で断熱膨張させて温度および圧力を低下させる酸素膨張工程と、上記窒素圧縮工程を経た窒素と上記酸素膨張工程を経た酸素を熱交換器２６で熱交換させて窒素を冷却する窒素冷却工程とを有し、この冷却された窒素を、液化した状態で精留塔２０に還流させることにより、空気を成分分離するための処理コスト（電力等の投入エネルギー）を低減している。
特開２０１０−２４３１４３号公報
ところで、上記特許文献１に記載の発明は、図７に示すように、上記「酸素膨張工程」において、精留塔２０から取り出された液体酸素の一部を断熱膨張させることにより、温度および圧力が低下した酸素を、その後の工程（窒素冷却工程）で窒素を冷却する寒冷として利用している。そのため、この発明においては、精留塔２０から取り出して膨張させた酸素を、上記寒冷として利用した後、酸素圧縮機２１で再圧縮して精留塔２０に還流させることが行われている。
しかしながら、酸素は、代表的な支燃性ガスであり、かつ、強い酸化剤でもあるため、その取扱いが難しい。また、これを圧縮する工程は、爆発等の危険を伴う。そのため、このような用途に用いる酸素圧縮機（酸素圧縮装置）としては、安全性を向上させるための特殊な機構等を備える、大掛かりで高価な専用の機器を導入するしか手段がなく、その導入コストが高くなってしまうという問題がある。
また、上記特許文献１の「窒素冷却工程」においては、窒素より「沸点の高い酸素」を寒冷として、酸素より「沸点の低い窒素」を熱交換（熱交換器２６）で冷却することになる。そのため、熱交換前の「窒素圧縮工程」での窒素ガスの圧縮（循環窒素圧縮機２３による昇圧）が不充分であると、上記熱交換後に、窒素ガスを液化した状態のまま精留塔２０まで到達させるのが難しく、場合によっては、途中で気化してしまうおそれもある。したがって、上記「精留塔から取り出した窒素ガスの一部を断熱圧縮」するのに用いられる循環窒素圧縮機２３は、高い圧縮能力（効率）が求められるとともに、その消費電力も自ずと高くなってしまう。ここに改善の余地がある。
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、取扱いの難しい酸素ガスを圧縮することがないため安全で、導入初期費用や消費エネルギーも少なく、経済性に優れる空気分離方法および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、本発明は、外部から取り入れた空気を精留塔に導入し、その精留塔の内部で深冷分離により酸素を液体として底部側に溜め、窒素を気体として上部側に溜める空気分離方法であって、上記精留塔の上部から窒素ガスの一部を取り出し、循環窒素圧縮機を経由させて昇圧させた後、窒素冷却器を経由させて冷却し、精留塔内の底部側に配置されたリボイラーに導入して、このリボイラーの周囲の液体酸素と熱交換させて液化させる窒素ガス液化工程と、上記精留塔の上部から取り出された窒素ガスの残部を、過冷却器を経由させた後上記窒素冷却器に導入し、上記循環窒素圧縮機で圧縮されて昇圧した窒素ガスと熱交換させて昇温させ、製品窒素ガスとして外部に導出する製品窒素ガス導出工程と、上記リボイラーで生じた液化窒素を、上記過冷却器でさらに冷却し、上記精留塔の上部に還流液として供給する還流液供給工程と、を備える非酸素圧縮系の空気分離方法を第１の要旨とする。
また、本発明は、外部から取り入れられた原料空気を導入し、空気の各成分の沸点差を利用した深冷分離により、その底部側に液体状態の酸素を溜め、その上部側に気体状態の窒素を溜める機能をもつ精留塔と、上記精留塔の上部から窒素ガスを取り出す機能をもつ窒素ガス取出部と、その窒素ガス取出部から取り出される窒素ガスの一部を断熱圧縮する機能をもつ循環窒素圧縮機と、上記循環窒素圧縮機を経由した高圧の窒素ガスを、上記窒素ガス取出部から取り出されて過冷却器を経由した窒素ガスの残部と熱交換させて冷却する機能をもつ窒素冷却器と、上記精留塔内に配置され、上記窒素冷却器を経由して導入された高圧の窒素ガスを、その周囲に存在する液体酸素と熱交換させて液化させる機能をもつリボイラーと、上記リボイラーを経由した液化窒素を、上記窒素ガス取出部から取り出された窒素ガスの残部と熱交換させて冷却する機能をもつ過冷却器とを備え、上記窒素ガス取出部と上記循環窒素圧縮機，窒素冷却器，リボイラー，過冷却器，精留塔の還流液導入部とを連絡し、精留塔の上部から取り出された窒素ガスの一部を、循環窒素圧縮機で昇圧させ、それを上記窒素冷却器，リボイラー，過冷却器の順に循環させ、過冷却されて極低温となった液化窒素を、上記精留塔内の還流液導入部から還流液として精留塔内に導入するための窒素循環流路と、上記窒素ガス取出部と上記過冷却器，窒素冷却器とを連絡し、上記精留塔の上部から取り出された窒素ガスの残部を、上記過冷却器，窒素冷却器の順に通過させ、寒冷として作用させた後、製品窒素ガスとして外部に導出するための製品窒素ガス流路と、が設けられている非酸素圧縮系の空気分離装置を第２の要旨とする。
すなわち、本発明の発明者らは、前記課題を解決するため鋭意研究を重ね、高価な酸素圧縮機を使用せず、空気分離方法および空気分離装置を構成することを検討した。そして、空気分離装置や高圧ガスに関する豊富な知識や経験を基に、低温の窒素ガスを圧縮することのできる循環窒素圧縮機と、精留塔内に配置したリボイラーと、熱交換器等とを組み合わせ、窒素の持つ寒冷エネルギーを無駄なく効率的に利用できるように、窒素ガスの循環経路を工夫することにより、従来よりも安全かつ低コストで空気の成分分離が可能なことを突き止めた。
以上のように、本発明の空気分離方法では、深冷分離法を用いた精留に必要な還流液を作製する工程（窒素ガス液化工程と還流液供給工程）に寒冷を供給する工程として、精留塔の上部から取り出され、第一の膨張手段で断熱膨張して冷却された窒素ガス（還流液として利用する窒素ガスの残部）を、過冷却器および窒素冷却器の寒冷として循環させ、冷熱エネルギーを放出し終わって温度が上昇したこの窒素ガスを、製品窒素ガスとして外部に導出する製品窒素ガス導出工程を備えている。これにより、精留塔内の酸素を寒冷として使用することなく、上記窒素ガス液化工程と還流液供給工程とに、冷熱を効率的に供給することができる。しかも、この空気分離方法は、窒素ガスの圧縮のために費やすエネルギー（循環窒素圧縮機に投入する電力等）を低減することができ、もって、より低コストで工程全体を稼働させることが可能となる。
しかも、上記還流液用窒素ガスの冷却に製品窒素ガスを用いていることから、本発明の空気分離方法は、取扱いの難しい酸素を何度もハンドリングする必要がなく、工程全体の安全性が高まる。したがって、本発明の空気分離方法は、従来法に比べ、工程の安全性が向上するとともに、高価な酸素圧縮機を使用しないため、初期の設備投資を抑えることができる。
また、本発明の空気分離方法のなかでも、上記製品窒素ガス導出工程における過冷却器の上流側に、上記精留塔の上部から取り出された窒素ガスの残部を断熱膨脹させる第一の膨張手段が配設されている場合、もしくは、上記製品窒素ガス導出工程における過冷却器の下流側に、この過冷却器を通過した窒素ガスの残部を断熱膨脹させる第一の膨張手段が配設され、この第一の膨脹手段で冷却された上記窒素ガスの残部が、再度上記過冷却器を経由するようになっている場合は、上記精留塔の上部から取り出された窒素ガスの残部の冷熱をより効果的に利用することにより、空気の深冷分離にかかるコスト（エネルギー）を低減できる。
さらに、本発明の空気分離方法において、上記精留塔の上部と底部の間の中間部から、純度の高くない窒素ガスを取り出し、上記過冷却器および窒素冷却器の寒冷として用いた後、排窒素ガスとして外部に導出する排窒素ガス導出工程を備える場合は、この破棄予定の排窒素ガスが有する冷熱を有効に活用することができる。
また、前記製品窒素ガス導出工程と同様、上記排窒素ガス導出工程における過冷却器の上流側に、上記精留塔の上部と底部の間の中間部から取り出した純度の高くない窒素ガスを断熱膨脹させる第二の膨張手段が配設されている場合、もしくは、上記排窒素ガス導出工程における過冷却器の下流側に、この過冷却器を通過した純度の高くない窒素ガスを断熱膨脹させる第二の膨張手段が配設され、この第二の膨脹手段で冷却された上記純度の高くない窒素ガスが、再度上記過冷却器を経由するようになっている場合は、上記精留塔の上部と底部の間の中間部から取り出した低純度の窒素ガスの冷熱をより効果的に再利用することにより、空気の深冷分離にかかるコスト（エネルギー）をさらに低減できる。
そして、本発明の空気分離方法のなかでも特に、上記リボイラーが、上記精留塔内の中間部に配置され、上記精留塔内の底部側には、第二のリボイラーが配設されて、外部から取り入れた空気を精留塔に直接供給する第一原料空気供給工程と、外部から取り入れた空気を上記第二のリボイラーに導入して、この第二のリボイラーの周囲の液体酸素と熱交換させて冷却した後、この冷却空気を上記精留塔に供給する第二原料空気供給工程とを備える場合は、上記原料空気が精留塔内に導入される前に充分冷却されるとともに、上記精留塔内の底部よりさらに低温の中間部の冷熱（極低温）を利用して、還流液用の窒素ガスを充分に冷却・液化させることができる。したがって、本発明の空気分離方法は、そのエネルギー効率がより向上し、経済性に優れる空気分離方法とすることができる。
なお、本発明の空気分離方法は、精留塔の下部から得られる酸素（製品酸素）の冷熱も残さず利用するために、その導出工程として、上記精留塔の下部から酸素ガスを取り出し、熱交換器で外部から取り入れた空気と熱交換させてこれを昇温させた後、製品酸素ガスとして外部に導出する製品酸素ガス導出工程、もしくは、上記精留塔の底部から液体酸素を取り出し、液体酸素ポンプで圧縮して、熱交換器で外部から取り入れた空気と熱交換させてこれを昇温させた後、製品酸素ガスとして外部に導出する製品酸素ガス導出工程、を好適に採用する。
つぎに、上記空気分離方法に用いられる本発明の空気分離装置は、空気を深冷分離する精留塔と、上記精留塔の上部から取り出した窒素ガスの一部を断熱圧縮する循環窒素圧縮機と、上記循環窒素圧縮機を経由した高圧の窒素ガスを冷却する窒素冷却器と、上記精留塔内に配設されたリボイラーと、上記リボイラーを経由した液化窒素をさらに冷却する過冷却器とを備え、上記精留塔の上部から取り出された窒素ガスの一部を、循環窒素圧縮機で昇圧させ、それを上記窒素冷却器，リボイラー，過冷却器の順に循環させて、極低温となった液化窒素を、上記精留塔内に還流液として導入する窒素循環流路と、上記精留塔の上部から取り出された窒素ガスの残部を、上記過冷却器，窒素冷却器の順に通過させ、寒冷として作用させた後、製品窒素ガスとして外部に導出する製品窒素ガス流路と、が設けられている。この構成により、本発明の空気分離装置は、窒素ガスの循環の過程で、還流液の生成のために必要な寒冷を、上記窒素ガスや精留塔内の寒冷エネルギーを利用して、効率的に発生させることが可能となる。すなわち、本発明の空気分離装置は、酸素を安全に取り扱うための複雑な装置や、酸素圧縮機等の高価な機器を使用することなく、上記精留塔の還流液として用いられる窒素ガスを、低消費エネルギーで効率よく冷却することができる。しかも、この装置は、窒素ガスの圧縮のために費やすエネルギー（循環窒素圧縮機に投入する電力等）が低減され、もって、より低コストで装置全体を稼働させることが可能となる。
さらに、上記還流液用窒素ガスの冷却に、窒素ガスのみを利用していることから、本発明の空気分離装置は、取扱いの難しい酸素ガスをハンドリングする必要がなく、装置全体としての安全性が高まる。そして、本発明の空気分離装置は、高価な酸素圧縮機を採用しないため、初期の設備投資を抑えることができる。
また、本発明の空気分離装置のなかでも、上記製品窒素ガス流路における過冷却器の上流側に、上記精留塔の上部から取り出された窒素ガスの残部を断熱膨脹させる第一の膨張手段が配設されているもの、もしくは、上記製品窒素ガス流路における過冷却器の下流側に、この過冷却器を通過した窒素ガスの残部を断熱膨脹させる第一の膨張手段が配設され、この第一の膨脹手段で冷却された上記窒素ガスの残部が、再度上記過冷却器を経由するようになっているものは、上記精留塔の上部から取り出された窒素ガスの残部の冷熱をより効果的に利用することにより、装置の稼働にかかるコスト（ランニングコスト）を低減することができる。
さらに、本発明の空気分離装置において、上記精留塔の上部と底部の間の中間部に、純度の高くない窒素ガスを取り出す機能をもつ低純度窒素ガス取出部を備え、この低純度窒素ガス取出部と上記過冷却器，窒素冷却器とを連絡し、上記純度の高くない窒素ガスを、上記過冷却器，窒素冷却器の順に通過させ、寒冷として作用させた後、排窒素ガスとして外部に導出するための排窒素ガス流路が設けられているものは、破棄される予定の排窒素ガスが有する冷熱を、有効に再利用することができるようになっている。
また、なかでも、上記排窒素ガス流路における過冷却器の上流側に、上記精留塔の上部と底部の間の中間部から取り出した純度の高くない窒素ガスを断熱膨脹させる第二の膨張手段が配設されている空気分離装置、もしくは、上記排窒素ガス流路における過冷却器の下流側に、この過冷却器を通過した純度の高くない窒素ガスを断熱膨脹させる第二の膨張手段が配設され、この第二の膨脹手段で冷却された上記純度の高くない窒素ガスが、再度上記過冷却器を経由するようになっている空気分離装置は、上記精留塔の上部と底部の間の中間部から取り出した低純度の窒素ガスの冷熱を、より効率的に利用することによって、装置の稼働にかかるコスト（ランニングコスト）をさらに低減することができる。
そして、本発明の空気分離装置のなかでも特に、上記リボイラーが、上記精留塔内の中間部に配置され、上記精留塔内の底部側に、第二のリボイラーを備えるとともに、外部から取り入れた空気を精留塔に直接導入するための第一原料空気流路と、外部から取り入れた空気を、上記第二のリボイラーを経由して精留塔に導入するための第二原料空気流路とが設けられているものは、上記原料空気を、精留塔内に導入する前に、精留塔底部側の液体酸素で充分に冷却することができる。また、上記精留塔の上部から取り出した、還流液用の窒素ガスの一部を、精留塔の底部より低温な精留塔中間部で充分に冷却することができる。これにより、本発明の空気分離装置は、精留塔内の寒冷エネルギーを有効に利用することができ、より経済性に優れる空気分離装置とすることができる。
なお、本発明の空気分離装置は、精留塔の下部から得られる酸素（製品酸素）の冷熱も残さず利用するために、上記精留塔の下部に、酸素ガスを取り出す機能をもつ酸素ガス取出部を備え、この酸素ガス取出部から取り出した酸素ガスを熱交換器に通過させ、外部から取り入れた空気を冷却する寒冷として作用させた後、昇温した上記酸素ガスを製品酸素ガスとして外部に導出する製品酸素ガス流路が設けられている構成、もしくは、上記精留塔の底部に、液体酸素を取り出す機能をもつ液体酸素取出部を備え、この液体酸素取出部から取り出した液体酸素を、液体酸素ポンプで昇圧させ、熱交換器を通過させて、外部から取り入れた空気を冷却する寒冷として作用させた後、気化した酸素を製品酸素ガスとして外部に導出する製品酸素ガス流路が設けられている構成を、好適に採用する。
本発明の第１実施形態における空気分離装置の概略構成を示すフロー図である。 本発明の第２実施形態における空気分離装置の概略構成を示すフロー図である。 本発明の第３実施形態における空気分離装置の概略構成を示すフロー図である。 本発明の第４実施形態における空気分離装置の概略構成を示すフロー図である。 本発明の第５実施形態における空気分離装置の概略構成を示すフロー図である。 本発明の第６実施形態における空気分離装置の概略構成を示すフロー図である。 従来の空気分離装置の概略構成を示すフロー図である。
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。ただし、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。
本発明の第１実施形態の空気分離方法に用いられる空気分離装置は、図１に示すように、単式の精留塔１を備えるものであり、空気圧縮機等（図示省略）で圧縮された原料空気を、主熱交換器２で冷却した後、上記精留塔１に導入してその内部で深冷分離により精留し、その底部１ｂ側に液体酸素を溜め、その上部側に窒素ガスを溜める。そして、この空気分離装置には、精留塔１の上部（頂部１ａ）に設けられた窒素ガス取出部１ｄから取り出した高純度の窒素ガスの一部を、循環窒素圧縮機３を介して窒素冷却器６，リボイラー８，過冷却器７の順に循環させ、液化して極低温となった高純度窒素を、精留塔１内の還流液として、その上部の還流液導入部１ｅから精留塔１内に導入する窒素循環流路Ｒを有している。そして、この装置は、上記精留塔１の窒素ガス取出部１ｄから取り出された高純度窒素ガスの残部を、製品窒素膨張タービン４（第一の膨張手段）を介して過冷却器７，窒素冷却器６の順に通過させ、寒冷として作用させた後、上記高純度窒素ガスの残部を製品窒素ガスとして外部に導出する製品窒素ガス流路Ｐを有している。さらに、この装置は、上記精留塔１の中間部１ｃに設けられた低純度窒素ガス取出部１ｆから、純度の高くない窒素ガスを取り出し、排窒素膨張タービン５（第二の膨張手段）を介して過冷却器７，窒素冷却器６の順に通過させ、寒冷として作用させた後、この低純度窒素ガスを排窒素ガスとして外部に導出するための排窒素ガス流路Ｑを有している。そのため、この空気分離装置は、上記精留塔１の底部１ｂに溜まる液体酸素をハンドリングすることなく、この精留塔１の上部から取り出した高純度の窒素ガスを、還流液用として液化させて極低温に冷却し、上記精留塔１内に戻して、空気分離を効率的に行っている。これが本発明の特徴である。
上記空気分離装置の構成について、詳しく説明すると、上記精留塔１は、図１のように、その内部に、精留棚もしくは充填物（規則充填物，不規則充填物等）と呼ばれる精留手段が上下に複数段設けられており、この精留手段の中段部位に、原料空気流路Ｓを通じて、主熱交換器２により冷却された圧縮原料空気が導入される。上記精留塔１内の底部１ｂ（上記精留手段の最下段よりさらに下側）には、リボイラー８が配置されており、その周囲には、上記液化した酸素（液化酸素）を溜めることのできるスペースが設けられている。また、精留塔１の頂部１ａには、精留塔１の上部に溜まる、高純度の窒素ガスを取り出すための取出口（窒素ガス取出部１ｄ）が設けられており、その一部が還流液用として窒素循環流路Ｒに送給され、残部が製品窒素ガス用として製品窒素ガス流路Ｐに送給されるようになっている。
なお、上記底部１ｂに溜まった液化酸素の液面と上記精留手段の最下段との間には、酸素を取り出すための酸素ガス取出口が設けられており、上記リボイラー８の内部を流れる窒素との熱交換により気化した酸素（製品酸素ガス）は、上記酸素ガス取出口に繋がる製品酸素ガス流路Ｏから、主熱交換器２を介して、装置外に導出される。
上記循環窒素圧縮機３は、窒素循環流路Ｒの上流側に配設されているもので、精留塔１の頂部１ａから取り出した高純度の窒素ガスを断熱圧縮して、昇圧させる。この循環窒素圧縮機（ＲＮＣ）３としては、増速機内蔵型遠心圧縮機，無段階容量調整装置付高圧圧縮機，大容量無給油式スクリュ圧縮機やレシプロコンプレッサ（往復式圧縮機）等、低温の窒素ガスを圧縮可能なタイプを使用することができる。なお、この循環窒素圧縮機３は、不活性の窒素ガスを取り扱うものであるため、防爆等の特殊な装備を必要とせず、先に述べた酸素圧縮機（酸素圧縮装置）に比べ、低コストで構成できるという利点を有する。
また、上記製品窒素膨張タービン４および排窒素膨張タービン５は、それぞれ製品窒素ガス流路Ｐおよび排窒素ガス流路Ｑにおける過冷却器７より上流側に配置されるもので、これらの窒素ガスを断熱膨張させて、より低温の窒素ガスを得る。
上記窒素冷却器６は、一種の熱交換器であり、上記断熱膨張により低温となった製品窒素ガスおよび排窒素ガスと、上記循環窒素圧縮機３を経由して温度の上昇した還流液用窒素ガスとを、向流的に間接接触させ、上記窒素循環流路Ｒ内を流れる還流液用窒素ガスを冷却する。
また、上記過冷却器７も同様、一種の熱交換器であり、上記断熱膨張により低温となった製品窒素ガスおよび排窒素ガス（上記窒素冷却器６への導入前）と、上記循環窒素圧縮機３および精留塔１内のリボイラー８を経由して液化した還流液用窒素とを、向流的に間接接触させ、上記窒素循環流路Ｒ内を流れる還流液用窒素ガスを、さらに冷却する。
そして、上記主熱交換器２は、図１のように、上記過冷却器７および窒素冷却器６を経由した製品窒素ガス（製品窒素ガス流路Ｐ），排窒素ガス（排窒素ガス流路Ｑ）と、上記精留塔１から取り出した製品酸素ガス（製品酸素ガス流路Ｏ）とを、先に述べた圧縮原料空気（原料空気流路Ｓ）と向流的に間接接触させ、この原料空気流路Ｓ内を流れる原料空気を冷却する。
上記の空気分離装置を用いた空気分離方法は、まず、空気圧縮機等で所定の圧力（本例においては約５５０ｋＰａＧ、Ｇはゲージ圧力を示す。以下同じ）に圧縮され、吸着塔等（図示省略）を経由して水分，二酸化炭素等の不純分が除去された原料空気（例えば、流量 約１１５，０００Ｎｍ3／ｈ）は、主熱交換器２で冷却された後、原料空気流路Ｓを通じて、上記精留塔１の頂部１ａと底部１ｂの間の中間部１ｃに設けられた導入口（還流液導入部１ｅ）から、精留塔１内に導入される。
この精留塔１の内部では、先に述べたように、空気の各成分の沸点差を利用した深冷分離により、その底部１ｂ側では、高沸点成分である酸素が濃縮され、液体酸素として貯留される。この液体酸素は、後述するリボイラー８に導入される還流液用窒素ガスを液化させることによって蒸発し、その一部が製品酸素ガス（純度 約９０容量％，圧力 約５００ｋＰａＧ）として、製品酸素ガス流路Ｏから、主熱交換器２を介して、装置外に取り出される。
一方、上記精留塔１の上部（頂部１ａ）側では、上記深冷分離により、低沸点成分である窒素が濃縮され、頂部１ａに設けられた窒素ガス取出部１ｄから、窒素ガス（純度 約９９．９容量％，圧力 約５００ｋＰａＧ）として取り出される。取り出された窒素ガスの一部（還流液用窒素）は、窒素循環流路Ｒを通じて、循環窒素圧縮機３で昇圧（圧力 約１，６００ｋＰａＧ）され、窒素冷却器６で冷却された後、リボイラー８に導入される。この還流液用の窒素（ガス）は、上記リボイラー８内で、その周囲に存在する液化酸素と熱交換することにより液化し、液体窒素として、窒素循環流路Ｒを通って精留塔１から導出される（窒素ガス液化工程）。
ついで、上記液化した還流液用窒素（液体窒素）は、過冷却器７を経由してさらに冷却された後、精留塔１の上部に、還流液として還流液導入部１ｅから導入される（還流液供給工程）。
また、上記精留塔１の頂部１ａから取り出された窒素ガスの残部は、製品窒素ガス流路Ｐを通じて、製品窒素膨張タービン４に導入され、断熱膨張により低圧（圧力 約１０ｋＰａＧ）とすることによって、寒冷を発生させた後、上記製品窒素ガス流路Ｐの経路に沿って、過冷却器７，窒素冷却器６および主熱交換器２を順に通過することにより、常温まで加温され、製品窒素ガスとして外部に導出される（製品窒素ガス導出工程）。
他方、図１のように、精留塔１の中間部１ｃの低純度窒素ガス取出部１ｆから取り出される、純度の高くない（低純度の）窒素ガスも同様、排窒素ガス流路Ｑを通じて、排窒素膨張タービン５に導入され、断熱膨張により低圧（圧力 約１０ｋＰａＧ）とすることによって、寒冷を発生させた後、上記排窒素ガス流路Ｑの経路に沿って、過冷却器７，窒素冷却器６および主熱交換器２を順に通過することにより、常温まで加温され、排窒素ガスとして外部に導出（排出）される（排窒素ガス導出工程）。
上記のように、この第１実施形態における空気分離方法では、単式の精留塔１で用いる還流液を作製する工程（窒素ガス液化工程と還流液供給工程）に必要な寒冷を、この精留塔１の頂部１ａから取り出した窒素ガス（残部）を製品窒素膨張タービン４で断熱膨張させる製品窒素ガス導出工程と、上記精留塔１の中間部１ｃから取り出した窒素ガスを排窒素膨張タービン５で断熱膨張させる排窒素ガス導出工程とから得ている。これにより、精留塔１内の酸素を寒冷として使用することなく、上記還流液を効率的に冷却することができる。
また、上記第１実施形態における空気分離装置は、取扱いの難しい酸素を安全に取り扱うための複雑な装置や、酸素圧縮機等の高価な機器を使用せず、上記精留塔１の還流液として用いられる液体窒素を、低消費エネルギーで効率よく作製することができる。
つぎに、本発明の第２実施形態の空気分離方法に用いられる空気分離装置について説明する。図２は、第２実施形態における空気分離装置の概略構成を示すフロー図である。
この第２実施形態の空気分離装置において、上記第１実施形態に記載の空気分離装置と構成上異なる点は、図２のように、製品窒素ガス流路Ｐの途中でこの窒素ガスを断熱膨脹させる製品窒素膨張タービン４に、過冷却器７を一旦通過した（冷熱を放出した）窒素ガスが導入され、この製品窒素膨張タービン４を経由して温度が再び低下した窒素ガスが、再度、上記過冷却器７を通過するようになっている点である。
また、排窒素ガス流路Ｑの途中でこの排窒素ガスを断熱膨脹させる排窒素膨張タービン５も、上記製品窒素ガス流路Ｐの製品窒素膨張タービン４と同様、過冷却器７を一旦通過して冷熱を放出した排窒素ガスが、上記排窒素膨張タービン５を経由することにより温度が再び低下し、この低温となった排窒素ガスが、再度、上記過冷却器７を通過するようになっている。すなわち、第２実施形態における空気分離方法および空気分離装置は、精留塔１から取り出した窒素ガスの残部と排窒素ガスの冷熱を２度にわたって利用し、その冷媒としてのエネルギーを最大限引き出している。
これにより、本実施形態における空気分離方法および空気分離装置は、窒素ガスの冷熱がより効率的かつ効果的に利用され、空気の深冷分離と装置の稼働にかかるコストをさらに低減することができる。
つぎに、上記第２実施形態の変形例である、第３実施形態および第４実施形態について説明する。図３は、本発明の第３実施形態における空気分離装置の概略構成を示すフロー図であり、図４は、本発明の第４実施形態における空気分離装置の概略構成を示すフロー図である。
図３に示す、第３実施形態の空気分離装置が、上記第２実施形態の空気分離装置と異なる点は、製品窒素ガス流路Ｐの途中に、窒素ガスを断熱膨脹させるための製品窒素膨張タービン（４）が配設されておらず、この製品窒素ガスが、過冷却器７および窒素冷却器６を経由して、ストレートに製品窒素として装置から導出されている点である。その他の構成は、上記第１実施形態および第２実施形態における空気分離装置と同様のため、説明を省略する。
一方、図４に示す、第４実施形態の空気分離装置が、上記第２実施形態の空気分離装置と異なる点は、排窒素ガス流路（Ｑ）と、その途中に配設されていた排窒素膨張タービン（５）が、省略されている点である。その他の構成は、上記第１実施形態および第２実施形態における空気分離装置と同様である。
以上、第３実施形態および第４実施形態の空気分離装置を用いた空気分離方法によっても、上記第１実施形態および第２実施形態とほぼ同様の効果を得ることが可能である。
ついで、上記第４実施形態の変形例である、第５実施形態について説明する。図５は、本発明の第５実施形態における空気分離装置の概略構成を示すフロー図である。
この第５実施形態における空気分離装置は、第４実施形態同様に、排窒素ガスの冷熱を利用するための排窒素ガス流路（Ｑ）および排窒素膨張タービン（５）が省略されている。また、精留塔１の底部１ｂに、その底部１ｂに溜まる液体酸素を取り出すための液体酸素取出部１ｇを備え、この液体酸素取出部１ｇから取り出した液体酸素を、液体酸素ポンプ１１で昇圧させ、主熱交換器２を通過させて、外部から取り入れた原料空気を冷却する寒冷として作用させた後、気化した酸素を製品酸素ガスとして外部に導出する製品酸素ガス流路Ｏ’が設けられている。
また、上記第５実施形態における空気分離装置には、上記主熱交換器２をストレートに経由して精留塔１に原料空気を供給する、通常の原料空気流路Ｓに加え、外部から取り入れた原料空気の一部を、空気昇圧機１２で圧縮してから精留塔１に供給する付加原料空気流路Ｓ’が、併設されている。
これらにより、上記第５実施形態の空気分離装置を用いた空気分離方法によっても、精留塔１の下部から得られる酸素（製品酸素）の冷熱も利用できるため、上記第１〜第４実施形態とほぼ同様の効果を得ることができる。なお、本実施形態は、取扱いの難しい、気体状の酸素ガスではなく、液体状の酸素を圧縮するため、工程の安全性が特に低下するということもない。
つぎに、本発明の第６実施形態について、詳しく説明する。図６は、本発明の第６実施形態における空気分離装置の概略構成を示すフロー図である。
この第６実施形態の空気分離方法に用いる空気分離装置も、単式の精留塔１０を備えるものであり、基本的な構成は前記第１実施形態の空気分離装置と同様である。なお、第１実施形態と同じ機能を有する構成部材には、同じ符号を付記してその詳細な説明を省略する。また、図６中の符号１０ａは精留塔の頂部、１０ｂは底部、１０ｃは中間部、１０ｄは窒素ガス取出部、１０ｅは還流液導入部、１０ｆは低純度窒素ガス取出部を示す。
この第６実施形態における空気分離装置が、前記第１実施形態の空気分離装置と構成上異なる点は、精留塔１０内のリボイラー８（第６実施形態においては、以下「第一リボイラー」という）が、前記複数段の精留手段の中段部位に配設されており、上記精留塔１０の底部１０ｂ（精留手段の最下段よりさらに下側）には、第二リボイラー９が配設されている点である。また、主熱交換器２で冷却された圧縮原料空気を精留塔１０に供給する経路として、前記第１実施形態の空気分離装置と同様の第一原料空気流路Ｓ1と、上記主熱交換器２を通った後、精留塔１０の底部１０ｂの第二リボイラー９を経由して、上記外部から取り入れた圧縮原料空気を精留塔１０に導入する第二原料空気流路Ｓ2の二つのルートが形成されている。
上記第一リボイラー８は、図６のように、上記複数段の精留手段の中間部位に設けられた還流液受け（還流液溜まり）１０ｇの中に浸漬するように配置されており、その周囲には、底部１０ｂの液体酸素よりも窒素含有量の多い液体（窒素富化液体酸素）が存在している。この窒素富化液体酸素は、上記精留塔底部１０ｂの液体酸素よりも低温であるため、上記第一リボイラー８内を流れる窒素（すなわち、窒素循環流路Ｒ内の還流液用窒素）は、第１実施形態における窒素より低圧であっても液化させることが可能である。
また、上記第二リボイラー９は、その周囲の液体酸素により、導入された圧縮原料空気を液化した状態で、精留塔１０に供給することができる。
上記構成の空気分離装置を用いた第６実施形態の空気分離方法も、第１実施形態同様、空気圧縮機等で所定の圧力（本例においては約５５０ｋＰａＧ、Ｇはゲージ圧力を示す。以下同じ）に圧縮され、吸着塔等（図示省略）を経由して水分，二酸化炭素等の不純分が除去された原料空気（流量 約１１５，０００Ｎｍ3／ｈ）が用いられる。ここで、第６実施形態の空気分離方法においては、その原料空気の一部（流量 約３５，０００Ｎｍ3／ｈ）が、上記第一原料空気流路Ｓ1から、主熱交換器２を通った後、精留塔１０の精留手段の中段部位に、直接導入される。また、上記原料空気の残部（流量 約７０，０００Ｎｍ3／ｈ）は、図示しない空気圧縮機等でさらに昇圧（圧力 約１，４００ｋＰａＧ）された後、上記第二原料空気流路Ｓ2を通じて主熱交換器２で冷却され、ついで上記第二リボイラー９を経由してさらに冷却されて液化し、上記第一原料空気流路Ｓ1と同じ精留塔１０の精留手段の中段部位から、精留塔１０内に導入される。
そして、この精留塔１０の内部では、深冷分離により、その底部１０ｂ側に液体酸素が溜まり、この液体酸素は、上記第二リボイラー９に導入される原料空気を液化させることによって蒸発し、その一部が製品酸素ガス（純度 約９０容量％，圧力 約５００ｋＰａＧ）として、製品酸素ガス導出流路Ｏから、主熱交換器２を介して、装置外に取り出される点は同様である。
一方、上記精留塔１０の上部側では、上記第１実施形態同様、上記深冷分離により窒素が濃縮され、頂部１０ａに設けられた窒素ガス取出部１０ｄから、窒素ガス（純度 約９９．９容量％，圧力 約５００ｋＰａＧ）として取り出される。取り出された窒素ガスの一部（還流液用窒素）は、窒素循環流路Ｒを通じて、循環窒素圧縮機３で昇圧（圧力 約１，０００ｋＰａＧ）され、窒素冷却器６，第一リボイラー８を経由して液化される（窒素ガス液化工程）。この際、第６実施形態では、精留塔底部１０ｂに配置されたリボイラー（８）で窒素を液化させるために、この還流液用窒素ガスを、循環窒素圧縮機３で約１，６００ｋＰａＧまで昇圧させる必要があった。これに対して、第６実施形態では、上記第一リボイラー８が、精留塔底部１０ｂより低温の領域（精留手段の中段部位）に配設されているため、より低い圧力（約１，０００ｋＰａＧ）の窒素ガスを液化させることができる。
その後の還流液供給工程，製品窒素ガス導出工程，排窒素ガス導出工程は、第１実施形態における空気分離方法と同様にして行われる。
上記のように、この第６実施形態における空気分離方法でも、単式の精留塔１０で用いる還流液を作製する工程（窒素ガス液化工程と還流液供給工程）に必要な寒冷を、精留塔１０の頂部１０ａから取り出した窒素ガス（残部）を製品窒素膨張タービン４で断熱膨張させる製品窒素ガス導出工程と、中間部１０ｃから取り出した窒素ガスを排窒素膨張タービン５で断熱膨張させる排窒素ガス導出工程とから得ている。したがって、本実施形態における空気分離方法も、第１実施形態と同様の効果を奏する。
それに加えて、先に述べたように、循環窒素圧縮機３から吐出される窒素ガス（還流液用窒素ガス）の圧力を、上記第１実施形態より低くすることが可能であることから、この循環窒素圧縮機３の消費電力を低減することができる。したがって、この第６実施形態における空気分離方法は、そのエネルギー効率がより向上し、経済性に優れる空気分離方法とすることができる。
本発明の空気分離方法および空気分離装置によれば、取扱いの難しい酸素ガスを圧縮することがないため安全で、導入初期費用や消費エネルギーも少なく、より経済性に優れる空気分離方法および空気分離装置とすることができる。
１ 精留塔
１ａ 頂部
１ｂ 底部
３ 循環窒素圧縮機
４ 製品窒素膨張タービン
６ 窒素冷却器
７ 過冷却器
８ リボイラー
Ｓ 原料空気流路
Ｏ 製品酸素ガス流路
Ｐ 製品窒素ガス流路
Ｑ 排窒素ガス流路
Ｒ 窒素循環流路

Claims (18)

  1. 外部から取り入れた空気を精留塔に導入し、その精留塔の内部で深冷分離により酸素を液体として底部側に溜め、窒素を気体として上部側に溜める空気分離方法であって、
    上記精留塔の上部から窒素ガスの一部を取り出し、循環窒素圧縮機を経由させて昇圧させた後、窒素冷却器を経由させて冷却し、精留塔内の底部側に配置されたリボイラーに導入して、このリボイラーの周囲の液体酸素と熱交換させて液化させる窒素ガス液化工程と、
    上記精留塔の上部から取り出された窒素ガスの残部を、過冷却器を経由させた後上記窒素冷却器に導入し、上記循環窒素圧縮機で圧縮されて昇圧した窒素ガスと熱交換させて昇温させ、製品窒素ガスとして外部に導出する製品窒素ガス導出工程と、
    上記リボイラーで生じた液化窒素を、上記過冷却器でさらに冷却し、上記精留塔の上部に還流液として供給する還流液供給工程と、
    を備えることを特徴とする非酸素圧縮系の空気分離方法。
  2. 上記製品窒素ガス導出工程における過冷却器の上流側に、上記精留塔の上部から取り出された窒素ガスの残部を断熱膨脹させる第一の膨張手段が配設されている請求項１記載の非酸素圧縮系の空気分離方法。
  3. 上記製品窒素ガス導出工程における過冷却器の下流側に、この過冷却器を通過した窒素ガスの残部を断熱膨脹させる第一の膨張手段が配設され、この第一の膨脹手段で冷却された上記窒素ガスの残部が、再度上記過冷却器を経由するようになっている請求項１記載の非酸素圧縮系の空気分離方法。
  4. 上記精留塔の上部と底部の間の中間部から、純度の高くない窒素ガスを取り出し、上記過冷却器および窒素冷却器の寒冷として用いた後、排窒素ガスとして外部に導出する排窒素ガス導出工程を備える請求項１〜３のいずれか一項に記載の非酸素圧縮系の空気分離方法。
  5. 上記排窒素ガス導出工程における過冷却器の上流側に、上記精留塔の上部と底部の間の中間部から取り出した純度の高くない窒素ガスを断熱膨脹させる第二の膨張手段が配設されている請求項４記載の非酸素圧縮系の空気分離方法。
  6. 上記排窒素ガス導出工程における過冷却器の下流側に、この過冷却器を通過した純度の高くない窒素ガスを断熱膨脹させる第二の膨張手段が配設され、この第二の膨脹手段で冷却された上記純度の高くない窒素ガスが、再度上記過冷却器を経由するようになっている請求項４記載の非酸素圧縮系の空気分離方法。
  7. 上記リボイラーが、上記精留塔内の中間部に配置され、上記精留塔内の底部側には、第二のリボイラーが配設されているとともに、外部から取り入れた空気を精留塔に直接供給する第一原料空気供給工程と、外部から取り入れた空気を上記第二のリボイラーに導入して、この第二のリボイラーの周囲の液体酸素と熱交換させて冷却した後、この冷却空気を上記精留塔に供給する第二原料空気供給工程とを備える請求項１〜６のいずれか一項に記載の非酸素圧縮系の空気分離方法。
  8. 上記精留塔の下部から酸素ガスを取り出し、熱交換器で外部から取り入れた空気と熱交換させてこれを昇温させた後、製品酸素ガスとして外部に導出する製品酸素ガス導出工程を備える請求項１〜７のいずれか一項に記載の非酸素圧縮系の空気分離方法。
  9. 上記精留塔の底部から液体酸素を取り出し、液体酸素ポンプで圧縮して、熱交換器で外部から取り入れた空気と熱交換させてこれを昇温させた後、製品酸素ガスとして外部に導出する製品酸素ガス導出工程を備える請求項１〜７のいずれか一項に記載の非酸素圧縮系の空気分離方法。
  10. 外部から取り入れられた原料空気を導入し、空気の各成分の沸点差を利用した深冷分離により、その底部側に液体状態の酸素を溜め、その上部側に気体状態の窒素を溜める機能をもつ精留塔と、上記精留塔の上部から窒素ガスを取り出す機能をもつ窒素ガス取出部と、その窒素ガス取出部から取り出される窒素ガスの一部を断熱圧縮する機能をもつ循環窒素圧縮機と、上記循環窒素圧縮機を経由した高圧の窒素ガスを、上記窒素ガス取出部から取り出されて過冷却器を経由した窒素ガスの残部と熱交換させて冷却する機能をもつ窒素冷却器と、上記精留塔内に配置され、上記窒素冷却器を経由して導入された高圧の窒素ガスを、その周囲に存在する液体酸素と熱交換させて液化させる機能をもつリボイラーと、上記リボイラーを経由した液化窒素を、上記窒素ガス取出部から取り出された窒素ガスの残部と熱交換させて冷却する機能をもつ過冷却器とを備え、
    上記窒素ガス取出部と上記循環窒素圧縮機，窒素冷却器，リボイラー，過冷却器，精留塔の還流液導入部とを連絡し、精留塔の上部から取り出された窒素ガスの一部を、循環窒素圧縮機で昇圧させ、それを上記窒素冷却器，リボイラー，過冷却器の順に循環させ、過冷却されて極低温となった液化窒素を、上記精留塔内の還流液導入部から還流液として精留塔内に導入するための窒素循環流路と、
    上記窒素ガス取出部と上記過冷却器，窒素冷却器とを連絡し、上記精留塔の上部から取り出された窒素ガスの残部を、上記過冷却器，窒素冷却器の順に通過させ、寒冷として作用させた後、製品窒素ガスとして外部に導出するための製品窒素ガス流路と、
    が設けられていることを特徴とする非酸素圧縮系の空気分離装置。
  11. 上記製品窒素ガス流路における過冷却器の上流側に、上記精留塔の上部から取り出された窒素ガスの残部を断熱膨脹させる第一の膨張手段が配設されている請求項１０記載の非酸素圧縮系の空気分離装置。
  12. 上記製品窒素ガス流路における過冷却器の下流側に、この過冷却器を通過した窒素ガスの残部を断熱膨脹させる第一の膨張手段が配設され、この第一の膨脹手段で冷却された上記窒素ガスの残部が、再度上記過冷却器を経由するようになっている請求項１０記載の非酸素圧縮系の空気分離装置。
  13. 上記精留塔の上部と底部の間の中間部に、純度の高くない窒素ガスを取り出す機能をもつ低純度窒素ガス取出部を備え、この低純度窒素ガス取出部と上記過冷却器，窒素冷却器とを連絡し、上記純度の高くない窒素ガスを、上記過冷却器，窒素冷却器の順に通過させ、寒冷として作用させた後、排窒素ガスとして外部に導出するための排窒素ガス流路が設けられている請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の非酸素圧縮系の空気分離装置。
  14. 上記排窒素ガス流路における過冷却器の上流側に、上記精留塔の上部と底部の間の中間部から取り出した純度の高くない窒素ガスを断熱膨脹させる第二の膨張手段が配設されている請求項１３記載の非酸素圧縮系の空気分離装置。
  15. 上記排窒素ガス流路における過冷却器の下流側に、この過冷却器を通過した純度の高くない窒素ガスを断熱膨脹させる第二の膨張手段が配設され、この第二の膨脹手段で冷却された上記純度の高くない窒素ガスが、再度上記過冷却器を経由するようになっている請求項１３記載の非酸素圧縮系の空気分離装置。
  16. 上記リボイラーが、上記精留塔内の中間部に配置され、上記精留塔内の底部側に、第二のリボイラーを備えるとともに、外部から取り入れた空気を精留塔に直接導入するための第一原料空気流路と、外部から取り入れた空気を、上記第二のリボイラーを経由して精留塔に導入するための第二原料空気流路とが設けられている請求項１０〜１５のいずれか一項に記載の非酸素圧縮系の空気分離装置。
  17. 上記精留塔の下部に、酸素ガスを取り出す機能をもつ酸素ガス取出部を備え、この酸素ガス取出部から取り出した酸素ガスを熱交換器に通過させ、外部から取り入れた空気を冷却する寒冷として作用させた後、昇温した上記酸素ガスを製品酸素ガスとして外部に導出する製品酸素ガス流路が設けられている請求項１０〜１６のいずれか一項に記載の非酸素圧縮系の空気分離装置。
  18. 上記精留塔の底部に、液体酸素を取り出す機能をもつ液体酸素取出部を備え、この液体酸素取出部から取り出した液体酸素を、液体酸素ポンプで昇圧させ、熱交換器を通過させて、外部から取り入れた空気を冷却する寒冷として作用させた後、気化した酸素を製品酸素ガスとして外部に導出する製品酸素ガス流路が設けられている請求項１０〜１６のいずれか一項に記載の非酸素圧縮系の空気分離装置。
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