JP2016075409A - 空気分離装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】原料空気から少なくとも酸素を分離する空気分離装置であって、低圧の製品酸素を製造できる空気分離装置を提供する。本発明の他の目的は、上記空気分離装置を用いて原料空気から少なくとも酸素を製造する方法を提供する。【解決手段】空気圧縮機、主熱交換器、高圧精留塔、低圧精留塔、液体空気貯槽、液体酸素貯槽、前記空気圧縮機で圧縮された圧縮空気を、前記主熱交換器を介して前記高圧精留塔へ供給する第１経路、および前記低圧精留塔から取り出した液体酸素を、前記液体酸素貯槽および前記主熱交換器を介して製品酸素として取り出す第２経路を有する空気分離装置において、前記第１経路には、前記空気圧縮機より下流側に第１流量調整弁が設けられており、前記第１経路は、前記空気圧縮機より下流側で前記第１流量調整弁より上流側で分岐し、分岐した分岐路は、前記液体空気貯槽、および第２流量調整弁を介して前記高圧精留塔に接続されており、当該分岐路には、昇圧空気圧縮機は備えられていない空気分離装置。【選択図】図２

Description

本発明は、原料空気から少なくとも酸素を分離する空気分離装置、および該空気分離装置を用いて原料空気から少なくとも酸素を製造する方法に関する。
発電設備や製鉄所等のように大量の酸素が消費される工場には、酸素を自給するために酸素製造設備を併設することが多い。酸素製造設備としては空気分離装置が最も汎用されている。空気分離装置では、空気を原料として少なくとも酸素を得ることができる。
深冷式の空気分離装置の代表的な構成例を図１を用いて説明する。図１に示した深冷式空気分離装置１は、空気圧縮機２、吸着器３ａ、３ｂ、主熱交換器４、高圧精留塔５、低圧精留塔６、低圧精留塔６内に設けられた主凝縮器６ａ、冷却設備７、および膨張タービン９を主として備えている。冷却設備７と吸着器３ａ、３ｂは、まとめて前処理設備と呼ばれることがある。また、主熱交換器４、高圧精留塔５、および低圧精留塔６は、図示しないコールドボックス内に収容されている。本明細書では、上記前処理設備とコールドボックスをまとめて空気分離設備８と呼び、空気分離設備８と上記空気圧縮機２をまとめて空気分離装置１と呼ぶことがある。また、高圧精留塔５および低圧精留塔６をまとめて精留塔と呼ぶことがある。
原料空気は、空気圧縮機２により高圧精留に必要な圧力（約０．３〜０．５ＭＰａ）に昇圧圧縮され、冷却設備７で冷却された後、吸着器３ａ、３ｂにより二酸化炭素、水分、炭化水素等の不純物が除去される。
吸着器３ａ、３ｂを経た原料空気は、経路Ｌ１を通り、コールドボックスに供給される。コールドボックスに供給された原料空気は、主熱交換器４で冷却され、その一部は経路Ｌ１により高圧精留塔５の底部へ供給される。また、主熱交換器４で冷却された原料空気の残部は、主熱交換器４内で経路Ｌ１が分岐した経路Ｌ１ｂにより膨張タービン９へ供給され、減圧された後、低圧精留塔６へ供給される。
高圧精留塔５に供給された原料空気は、高圧精留塔５内を上昇中に下降液と向流接触を行い、蒸留により低沸点成分が増加することで液体窒素と酸素リッチな液体空気とに精留分離される。高圧精留塔５内で精留分離された液体窒素および酸素リッチな液体空気は、図示しない経路により低圧精留塔６へ供給される。低圧精留塔６に供給された液体窒素と酸素リッチな液体空気は上昇ガスと向流接触を起こし、蒸留により低圧精留塔６内で高純度の窒素ガスと液体酸素とに精留分離される。
一方、高圧精留塔５内の窒素ガスは経路Ｌ２を通して低圧精留塔６に設けられた主凝縮器６ａへ供給される。主凝縮器６ａでは、供給された窒素ガスと低圧精留塔６内の底部に溜まった液体酸素との間で熱交換を行って、該液体酸素を気化させて酸素ガスとし、窒素ガスを凝縮して液体窒素とする。この熱交換に必要な窒素ガスと液体酸素との温度差を確保するために、高圧精留塔５および低圧精留塔６の各運転圧力が設定される。
低圧精留塔６内で気化して生成した酸素ガスの一部は、経路Ｌ５の途中に設けられた主熱交換器４へ送られて常温に戻された後、製品酸素として外部へ取り出され、酸素ガスの残りは低圧精留塔６内で上昇ガスとなり、精留分離に利用される。一方、主凝縮器６ａ内で生成した液体窒素は、経路Ｌ８を通して高圧精留塔５へ供給される。
また、低圧精留塔６内で分離された高純度の窒素ガスは、低圧精留塔６の頂部から取り出され、経路Ｌ１０から製品窒素として外部へ取り出すことができる。
なお、低圧精留塔６内の残部ガスは、図示しない経路により吸着器３ａ、３ｂに送られ、吸着剤の再生ガスとして利用できる。
ところで、例えば製鉄所で使用される酸素のうち、高炉で消費される酸素量の変動は小さいが、転炉等のバッチプロセスで消費される酸素量は、時間帯や曜日により大きく変動する。空気圧縮機に使われる遠心式圧縮機は、その特性から、通常、最大出力に対して７０％までの減量運転が限界であった。従って発電設備や製鉄所等で実際に要求される減量範囲が空気圧縮機の定格の１００％から７０％までの場合は、空気圧縮機を１００％から７０％までの出力範囲で運転すればよいが、減量範囲が空気圧縮機の定格の７０％未満の場合は、空気圧縮機を最大出力に対して７０％で運転し、余剰分の空気は大気中に放出せざるを得なかった。しかし余剰分の空気を大気中に放出しながらの操業は当然ながら無駄が多い。
酸素供給量の増減に対応できる空気液化分離装置が特許文献１に提案されている。特許文献１に記載されている空気液化分離装置は、原料空気を圧縮する原料空気圧縮機を備え、この原料空気圧縮機で圧縮された圧縮空気中の不純物を除去する不純物除去器を備え、不純物除去後の圧縮空気を冷却する主熱交換器を備えると共に、上部塔と下部塔とからなり、前記主熱交換器で冷却されて導入された空気を酸素と窒素とに分離する複式精留塔を有する空気分離部を備えている。この空気液化分離装置は、前記主熱交換器を経て下部塔に連通し、不純物除去器を経た原料空気の一部を下部塔に導入する第１ラインと、残りの原料空気を圧縮する昇圧空気圧縮機、主熱交換器を経て下部塔に連通し、主熱交換器から下部塔側に向かって順に、膨張弁、液体空気を貯液する液体空気貯槽、この液体空気貯槽から下部塔に導入する液体空気量を制御する液体空気量制御手段が介装されてなる第２ラインと、この第２ラインから分岐して第１ラインの主熱交換器と下部塔との間に連通し、主熱交換器の下流側に膨張タービンが介装されてなる第３ラインと、上部塔から主熱交換器を介して製品酸素を需要先に供給し、上部塔から主熱交換器側に向かって順に、液体酸素量を制御する液体酸素量制御手段、液体酸素を貯液する液体酸素貯槽が介装されてなる製品酸素供給ラインを備えたところに特徴を有している。
特許第４２８７７７１号公報
上記特許文献１に記載の空気液化分離装置によれば、液体空気貯槽と液体酸素貯槽を備えているため、液体空気貯槽と液体酸素貯槽を備えていない空気液化分離装置をフル操業して得られる酸素量に対して、５０〜１５０％の幅で酸素の供給量を調整可能となる。即ち、酸素需要が多い場合は、液体酸素貯槽に予め貯めておいた液体酸素を放出して製品酸素を系外へ供給し、このときの冷熱により空気を液化して液体空気貯槽に貯液する。一方、酸素需要が少ない場合は、上部塔で精留分離した液体酸素を液体酸素貯槽に貯液すると共に、液体酸素からの冷熱回収が減少する分は、液体空気貯槽に予め貯液しておいた液体空気を放出する。
ところで、上記特許文献１に記載の空気液化分離装置は、原料空気圧縮機で圧縮した空気の一部を、更に圧縮する昇圧空気圧縮機を備えている。また、上記特許文献１においては、第２ラインから分岐して第１ラインの主熱交換器と高圧精留塔との間に連通し、主熱交換器の下流側に膨張タービンが介装されてなる第３ラインを備えることにより、空気液化分離装置の運転に必要な寒冷を発生させている。その結果、特許文献１に記載の空気液化分離装置内における圧縮空気の圧力は高くなるため、空気液化分離装置で製造される製品酸素の圧力も高くなると考えられる。しかし製品酸素の用途によっては要求される圧力が異なり、低圧の製品酸素が求められることがある。こうした場合には、高圧の製品酸素の圧力を低くする必要があり、エネルギーの無駄となる。
本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、原料空気から少なくとも酸素を分離する空気分離装置であって、低圧の製品酸素をより少ないエネルギーで製造できる空気分離装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、上記空気分離装置を用いて原料空気から少なくとも酸素を製造する方法を提供することにある。
上記課題を解決することのできた本発明に係る空気分離装置は、原料空気を圧縮する空気圧縮機と、前記空気圧縮機で圧縮された圧縮空気を用いて熱交換する主熱交換器と、前記主熱交換器を経た圧縮空気から少なくとも酸素を分離する高圧精留塔および低圧精留塔を備える精留塔と、液体空気を貯液する液体空気貯槽と、液体酸素を貯液する液体酸素貯槽と、前記空気圧縮機で圧縮された圧縮空気を、前記主熱交換器を介して前記高圧精留塔へ供給する第１経路と、前記低圧精留塔から取り出した液体酸素を、前記液体酸素貯槽および前記主熱交換器を介して製品酸素として取り出す第２経路とを有する空気分離装置である。そして、本発明に係る第１の空気分離装置は、前記第１経路には、前記空気圧縮機より下流側に第１流量調整弁が設けられており、前記第１経路は、前記空気圧縮機より下流側で前記第１流量調整弁より上流側で分岐し、分岐した分岐路は、前記液体空気貯槽、および第２流量調整弁を介して前記高圧精留塔に接続されており、当該分岐路には、昇圧空気圧縮機は備えられていない点に要旨を有する。
前記液体酸素貯槽の内部に熱交換器を設け、前記分岐路を、前記液体酸素貯槽の内部に設けられた熱交換器、前記液体空気貯槽、および前記第２流量調整弁を介して前記高圧精留塔に接続し、当該分岐路には、昇圧空気圧縮機は備えられていない第２の空気分離装置も本発明に包含される。
上記課題は、前記第１経路を、前記空気圧縮機より下流側で分岐させ、分岐した分岐路を、前記液体空気貯槽、および第２流量調整弁を介して前記低圧精留塔に接続し、当該分岐路には、昇圧空気圧縮機は備えられていない点に要旨を有する第３の空気分離装置によっても達成できる。
前記液体酸素貯槽の内部に熱交換器が設け、前記分岐路を、前記液体酸素貯槽の内部に設けられた熱交換器、前記液体空気貯槽、および前記第２流量調整弁を介して前記低圧精留塔に接続し、当該分岐路には、昇圧空気圧縮機は備えられていない第４の空気分離装置も本発明に包含される。
本発明の空気分離装置には、空気圧縮機で圧縮された圧縮空気を更に昇圧圧縮する昇圧空気圧縮機を設けていないため、空気分離装置内における圧縮空気の圧力を低くすることができる。その結果、エネルギーの無駄を減らすことができ、圧力の低い製品酸素を効率よく製造できる。
図１は、空気分離装置の代表的な構成例を説明するための模式図である。 図２は、本発明に係る第１の空気分離装置の構成例を示した模式図である。 図３は、本発明に係る第２の空気分離装置の構成例を示した模式図である。 図４は、本発明に係る第３の空気分離装置の構成例を示した模式図である。 図５は、本発明に係る第４の空気分離装置の構成例を示した模式図である。
本発明者らは、低圧の製品酸素を製造できる空気分離装置、および該空気分離装置を用いて原料空気から少なくとも酸素を製造する方法を提供することを目指して鋭意検討を重ねてきた。その結果、空気分離装置内に、空気圧縮機で圧縮された圧縮空気を更に昇圧圧縮する昇圧空気圧縮機を設けず、空気圧縮機で圧縮された圧縮空気を高圧精留塔または低圧精留塔へ供給すれば、低圧の製品酸素を製造でき、エネルギーの無駄を減らすことができることを見出し、本発明を完成した。なお、本発明において、空気分離装置から製品として取り出す「低圧の酸素」とは、ゲージ圧が３００ｋＰａ（Ｇ）以下の酸素を意味する。
以下、本発明を完成するに至った経緯を説明した後、本発明について詳細に説明する。
上記特許文献１に記載の空気液化分離装置では、主熱交換器において、液体酸素の蒸発潜熱を冷熱エネルギーとして利用するために、昇圧空気圧縮機を設けている。即ち、液体酸素の蒸発潜熱を利用するには、空気の潜熱を用いる必要がある。潜熱量は顕熱量と比較して桁違いに大きいため、潜熱同士の熱交換が必要だからである。
液体空気および液体酸素は、圧力が上がれば、沸点は高くなる。また、熱交換器における熱交換を成立させて酸素を製造するには、液体酸素の沸点に対し、空気側の温度を２℃程高くする必要がある。例えば、圧力が３０ｋＰａ（Ｇ）の酸素を製造するには、圧力が３０ｋＰａ（Ｇ）のときの液体酸素の沸点は−１８０．４５℃であるため、この温度よりも沸点が２℃ほど高い空気を熱交換器へ供給する必要があり、液体空気の沸点を−１７８．４５℃程度にするには、液体空気の圧力は最小で３００ｋＰａ（Ｇ）とする必要がある。また、圧力が３００ｋＰａ（Ｇ）の酸素を製造するには、圧力が３００ｋＰａ（Ｇ）のときの液体酸素の沸点は−１６７．３８℃であるため、この温度よりも沸点が２℃ほど高い空気を熱交換器へ供給する必要があり、液体空気の沸点を−１６５．３８℃程度にするには、液体空気の圧力は最小で１０００ｋＰａ（Ｇ）とする必要がある。このように液体空気の沸点を高くするには、液体空気の圧力を高める必要があり、そのために上記特許文献１では、空気液化分離装置内に昇圧空気圧縮機を設けて空気を更に圧縮している。
これに対し、一般的な空気圧縮機で圧縮される空気の圧力は５００ｋＰａ（Ｇ）程度であり、このときの液体空気の沸点は−１７４．５１℃程度である。この液体空気を用いて主熱交換器における熱交換を成立させるには、液体酸素の温度を−１７６．５１℃程度とする必要があり、このときの液体酸素の圧力は、９０ｋＰａ（Ｇ）程度である。また、空気圧縮機の種類によっては、原料空気を１０００ｋＰａ（Ｇ）程度の圧力に圧縮できるものもある。１０００ｋＰａ（Ｇ）程度に圧縮した空気を用いれば、上述したように、圧力が３００ｋＰａ（Ｇ）程度の酸素を製造できる。これは、３００ｋＰａ（Ｇ）以下の低圧の酸素を製造する場合は、上記特許文献１のように、昇圧空気圧縮機を用いなくても、液体酸素の蒸発潜熱を回収できることを意味している。
ところで、上述したように、酸素は、発電設備や製鉄所等で大量消費されるが、こうした設備で要求される酸素の圧力は、設備に依存する。例えば、転炉では２０００ｋＰａ（Ｇ）程度の酸素が要求されるが、高炉やガス化炉、ガラス溶融炉などで要求される酸素の圧力は３００ｋＰａ（Ｇ）程度である。そのため、高圧の酸素が要求される場合には、上記特許文献１に記載のように、空気液化分離装置内に昇圧空気圧縮機を更に設ける必要がある。しかし、要求される酸素の圧力が、例えば、３００ｋＰａ（Ｇ）以下の低圧で良い場合は、昇圧空気圧縮機は不要ではないかと考えた。
以下、本発明に係る空気分離装置について図面を用いて説明するが、本発明の空気分離装置は、下記図面に限定されるものではなく、前記および後記の趣旨に適合し得る範囲で設計変更してもよい。
図２は、本発明に係る第１の空気分離装置の構成例を示した模式図であり、上記図１に示した深冷式空気分離装置と同一の箇所には同じ符号を付した。なお、図２においては、前処理設備は図示していない。
図２において、２は空気圧縮機、４は主熱交換器、５は高圧精留塔、６は低圧精留塔、６ａは低圧精留塔６内に設けられた主凝縮器、９は膨張タービン、２１は液体空気貯槽、２２は液体酸素貯槽、３１は第１流量調整弁、３２は第２流量調整弁、Ｌ１は第１経路、Ｌ３は第２経路、Ｌ１０は低圧精留塔６から窒素を取り出す経路、をそれぞれ示している。
上記第１経路Ｌ１は、空気圧縮機２と高圧精留塔５を接続する経路であり、この第１経路Ｌ１を通して、空気圧縮機２で圧縮された圧縮空気を、主熱交換器４を介して高圧精留塔５へ供給する。
上記第２経路Ｌ３は、低圧精留塔６から製品酸素を取り出す経路であり、この第２経路Ｌ３を通して、低圧精留塔６から取り出した液体酸素を、液体酸素貯槽２２および主熱交換器４を介して製品酸素として取り出す。
本発明に係る第１の空気分離装置は、図２に示すように、第１経路Ｌ１において、空気圧縮機２より下流側で主熱交換器４よりも上流側に第１流量調整弁３１が設けられている。上記第１経路Ｌ１は、空気圧縮機２より下流側で第１流量調整弁３１より上流側で分岐し、分岐した分岐路Ｌ１ａは、主熱交換器４、液体空気貯槽２１、および第２流量調整弁３２を介して高圧精留塔５に接続されており、当該分岐路Ｌ１ａには、昇圧空気圧縮機は備えられていない。
図２に示すように、昇圧空気圧縮機を設けていないが、空気圧縮機２で圧縮した空気を高圧精留塔５へ供給することによって、圧力が３００ｋＰａ（Ｇ）以下の酸素を製造できる。また、昇圧空気圧縮機を設けないことによって、初期コストを低減でき、運転操作も簡便となり、メンテナンスも容易になる。
第１の空気分離装置においては、空気圧縮機２で圧縮された空気が、第１経路Ｌ１と分岐路Ｌ１ａを通して高圧精留塔５へ供給されているが、昇圧空気圧縮機を設けていないため、空気圧縮機２よりも下流側に第１流量調整弁３１を設ける必要がある。第１経路Ｌ１と分岐路Ｌ１ａを比較すると、第１経路Ｌ１の方が圧力損失は小さいため、第１経路Ｌ１の途中に第１流量調整弁３１を設けない場合は、第１経路Ｌ１に多量の圧縮空気が流れ、分岐路Ｌ１ａへ流れる圧縮空気量を制御できない。そこで第１の空気分離装置においては、第１経路Ｌ１の途中に第１流量調整弁３１を設ける。第１流量調整弁３１としては、例えば、減圧弁を設ければよい。
また、第１の空気分離装置においては、液体空気貯槽２１と液体酸素貯槽２２を設けているため、標準操業における供給酸素量を１００％としたとき、５０〜１５０％の幅で酸素を供給できる。標準操業とは、液体空気貯槽２１と液体酸素貯槽２２が空の状態を維持するか、液体空気貯槽２１および液体酸素貯槽２２のうち少なくとも一方に貯液されており、このときの液面が変動しないときことを意味する。
上記図２では、空気圧縮機２より下流側で主熱交換器４よりも上流側に第１流量調整弁３１を設け、空気圧縮機２より下流側で第１流量調整弁３１より上流側で、第１経路Ｌ１と分岐路Ｌ１ａを分岐させているため、分岐した分岐路Ｌ１ａは、上記主熱交換器４、上記液体空気貯槽２１、および上記第２流量調整弁３２を介して上記高圧精留塔５に接続しているが、本発明は、この構成に限定されない。
即ち、上記図２では、空気圧縮機２より下流側で主熱交換器４より上流側に第１流量調整弁３１を設けた構成例を示したが、第１流量調整弁３１を設ける位置は、主熱交換器４より下流側で高圧精留塔５より上流側に設けてもよい。主熱交換器４より下流側で高圧精留塔５より上流側に上記第１流量調整弁３１を設ける場合は、主熱交換器４より下流側で第１流量調整弁３１より上流側で、上記第１経路Ｌ１と上記分岐路Ｌ１ａとを分岐させてもよい。上記主熱交換器４より下流側で上記第１流量調整弁３１より上流側で、上記第１経路Ｌ１と上記分岐路Ｌ１ａとを分岐させる場合は、上記分岐路Ｌ１ａは、上記主熱交換器４を介さず、上記液体空気貯槽２１、および上記第２流量調整弁３２を介して上記高圧精留塔５に接続すればよい。
次に、図３に示した模式図を用いて本発明に係る第２の空気分離装置の構成例を説明する。第２の空気分離装置は、上記第１の空気分離装置の一部を変形した例である。
図３に示す第２の空気分離装置は、上記図２に示した第１の空気分離装置に対して、液体酸素貯槽２２の内部に熱交換器３３を設けている点と、主熱交換器４を経た分岐路Ｌ１ａが上記熱交換器３３を介してから上記液体空気貯槽２１および第２流量調整弁を通して高圧精留塔５に接続されている点で相違している。なお、上記図２に示した空気分離装置と同一の箇所には同じ符号を付した。また、図３においても前処理設備は図示していない。
即ち、図３に示した第２の空気分離装置においても、上記図２と同様、第１経路Ｌ１には、空気圧縮機２より下流側で主熱交換器４よりも上流側に第１流量調整弁３１が設けられており、上記第１経路Ｌ１は、空気圧縮機２より下流側で第１流量調整弁３１より上流側で第１経路Ｌ１と分岐路Ｌ１ａに分岐している。そして、図３に示した第２の空気分離装置においては、上記分岐路Ｌ１ａが、主熱交換器４、液体酸素貯槽２２の内部に設けられた熱交換器３３、液体空気貯槽２１、および第２流量調整弁３２を介して高圧精留塔５に接続されており、上記図２と同様、分岐路Ｌ１ａには、昇圧空気圧縮機は備えられていない。
図３に示すように、液体酸素貯槽２２の内部に熱交換器３３を設け、主熱交換器４を経た圧縮空気を分岐路Ｌ１ａから熱交換器３３へ供給し、液体酸素との間で熱交換を行って液体空気とし、これを液体空気貯槽２１へ供給することによって、顕熱同士の熱交換と潜熱同士の熱交換を分割できるため、熱交換ロスを小さくすることができる。
また、図３に示した構成例によれば、寒冷の回収率が向上するため、後述する分岐路Ｌ１ｂから膨張タービン９を介して低圧精留塔６へ供給される圧縮空気量を低減できる。その結果、精留効率を高めることができる。
上記図３では、空気圧縮機２より下流側で主熱交換器４よりも上流側に第１流量調整弁３１を設け、空気圧縮機２より下流側で第１流量調整弁３１より上流側で、第１経路Ｌ１と分岐路Ｌ１ａを分岐させているため、分岐した分岐路Ｌ１ａは、上記主熱交換器４、上記液体酸素貯槽２２の内部に設けられた熱交換器３３、上記液体空気貯槽２１、および上記第２流量調整弁３２を介して上記高圧精留塔５に接続しているが、本発明は、この構成に限定されない。
即ち、上記図３では、空気圧縮機２より下流側で主熱交換器４より上流側に第１流量調整弁３１を設けた構成例を示したが、第１流量調整弁３１を設ける位置は、主熱交換器４より下流側で高圧精留塔５より上流側に設けてもよい。主熱交換器４より下流側で高圧精留塔５より上流側に上記第１流量調整弁３１を設ける場合は、主熱交換器４より下流側で第１流量調整弁３１より上流側で、上記第１経路Ｌ１と上記分岐路Ｌ１ａとを分岐させてもよい。上記主熱交換器４より下流側で第１流量調整弁３１より上流側で、上記第１経路Ｌ１と上記分岐路Ｌ１ａとを分岐させる場合は、上記分岐路Ｌ１ａは、上記主熱交換器４を介さず、上記液体酸素貯槽２２の内部に設けられた熱交換器３３、上記液体空気貯槽２１、および上記第２流量調整弁３２を介して上記高圧精留塔５に接続すればよい。
上記図２および図３において、上記第１経路Ｌ１と上記分岐路Ｌ１ａとの分岐位置は、主熱交換器４の内部とするか、空気圧縮機２より下流側で主熱交換器４より上流側とすることが好ましい。
次に、図４に示した模式図を用いて本発明に係る第３の空気分離装置の構成例を説明する。上記図２に示した空気分離装置と同一の箇所には同じ符号を付し、図４においても前処理設備は図示していない。
図４に示した第３の空気分離装置においては、第１経路Ｌ１は、空気圧縮機２より下流側で主熱交換器４より上流側で分岐し、分岐した分岐路Ｌ１ａは、主熱交換器４、液体空気貯槽２１、および第２流量調整弁３２を介して低圧精留塔６に接続されており、当該分岐路Ｌ１ａには、昇圧空気圧縮機は備えられていない。なお、第１経路Ｌ１には、上記図２および図３に示した第１流量調整弁３１は設けていない。
図４に示すように、分岐路Ｌ１ａを低圧精留塔６に接続することによって、上記図２および図３に示した第１流量調整弁３１を省略できる。即ち、図２および図３においては、分岐路Ｌ１ａを高圧精留塔５に接続していたため、空気圧縮機２からの吐出出力を上げる必要があり、動力の損失が発生することがあった。一方、図４においては、分岐路Ｌ１ａを低圧精留塔６に接続することにより、圧力が低くなるため、空気圧縮機２からの吐出出力を上げる必要がなくなり、動力の損失は発生しにくくなる。
上記図４では、空気圧縮機２より下流側で主熱交換器４よりも上流側で、第１経路Ｌ１と分岐路Ｌ１ａを分岐させているため、分岐した分岐路Ｌ１ａは、上記主熱交換器４、上記液体空気貯槽２１、および上記第２流量調整弁３２を介して上記低圧精留塔６に接続しているが、本発明は、この構成に限定されない。
即ち、上記図４では、空気圧縮機２より下流側で主熱交換器４より上流側で、上記第１経路Ｌ１と上記分岐路Ｌ１ａとを分岐させているが、分岐位置は、主熱交換器４より下流側で高圧精留塔５より上流側でもよい。分岐位置を、主熱交換器４より下流側で高圧精留塔５より上流側とする場合は、上記分岐路Ｌ１ａは、上記主熱交換器４を介さず、上記液体空気貯槽２１、および上記第２流量調整弁３２を介して上記低圧精留塔６に接続すればよい。
次に、図５に示した模式図を用いて本発明に係る第４の空気分離装置の構成例を説明する。第４の空気分離装置は、上記第２の空気分離装置の一部を変形した例である。
図５に示す第４の空気分離装置は、上記図４に示した第３の空気分離装置に対して、液体酸素貯槽２２の内部に熱交換器３３を設けている点と、主熱交換器４を経た分岐路Ｌ１ａが上記熱交換器３３を介してから上記液体空気貯槽２１および第２流量調整弁を通して低圧精留塔６に接続されている点で相違している。なお、上記図４に示した空気分離装置と同一の箇所には同じ符号を付し、図５においても前処理設備は図示していない。
図５に示した第４の空気分離装置においては、上記図４と同様、第１経路Ｌ１は、空気圧縮機２より下流側で主熱交換器４より上流側で分岐している。そして、図５に示した第４の空気分離装置においては、分岐路Ｌ１ａは、主熱交換器４、液体酸素貯槽２２の内部に設けられた熱交換器３３、液体空気貯槽２１、および第２流量調整弁３２を介して低圧精留塔６に接続されており、当該分岐路Ｌ１ａには、昇圧空気圧縮機は備えられていない。
図５に示すように、液体酸素貯槽２２の内部に熱交換器３３を設け、主熱交換器４を経た圧縮空気を分岐路Ｌ１ａから熱交換器３３へ供給し、液体酸素との間で熱交換を行って液体空気とし、これを液体空気貯槽２１へ供給することによって、顕熱同士、潜熱同士の熱交換を分割できるため、熱交換ロスを小さくすることができる。
また、図５に示した構成例によれば、寒冷の回収率が向上するため、後述する分岐路Ｌ１ｂから膨張タービン９を介して低圧精留塔６へ供給される圧縮空気量を低減できる。その結果、精留効率を高めることができる。
上記図５では、空気圧縮機２より下流側で主熱交換器４よりも上流側で、第１経路Ｌ１と分岐路Ｌ１ａを分岐させているため、分岐した分岐路Ｌ１ａは、上記主熱交換器４、上記液体酸素貯槽２２の内部に設けられた熱交換器３３、上記液体空気貯槽２１、および上記第２流量調整弁３２を介して上記低圧精留塔６に接続しているが、本発明は、この構成に限定されない。
即ち、上記図５では、空気圧縮機２より下流側で主熱交換器４より上流側で、上記第１経路Ｌ１と上記分岐路Ｌ１ａとを分岐させているが、分岐位置は、主熱交換器４より下流側で高圧精留塔５より上流側でもよい。分岐位置を、主熱交換器４より下流側で高圧精留塔５より上流側とする場合は、上記分岐路Ｌ１ａは、上記主熱交換器４を介さず、上記液体酸素貯槽２２の内部に設けられた熱交換器３３、上記液体空気貯槽２１、および上記第２流量調整弁３２を介して上記低圧精留塔６に接続すればよい。
上記図４および図５において、上記第１経路Ｌ１と上記分岐路Ｌ１ａとの分岐位置は、主熱交換器４の内部とするか、空気圧縮機２より下流側で主熱交換器４より上流側とすることが好ましい。
上記図２〜図５において、第１経路Ｌ１を主熱交換器４の内部で分岐させ、分岐した分岐路Ｌ１ｂは、膨張タービン９を介して低圧精留塔６に接続してもよい。圧縮空気の一部を分岐路Ｌ１ｂを通して低圧精留塔６へ供給することにより、圧縮空気の余剰分を原料として利用できる。
上記図２〜図５において、第２経路Ｌ３には、低圧精留塔６より下流側で液体酸素貯槽２２より上流側、または液体酸素貯槽２２より下流側で主熱交換器４よりも上流側に、液体酸素の圧力を高めるために図示しないポンプを設けてもよい。
上記図２〜図５では、前処理設備を図示していないが、前処理設備は、空気圧縮機２より下流側で、第１経路Ｌ１と分岐路Ｌ１ａとの分岐位置よりも上流側に設ければよい。
本発明に係る空気分離装置においては、上記図２〜図５に示すように、高圧精留塔５の上方に低圧精留塔６を設けることが好ましい。低圧精留塔６を高圧精留塔５の上方に設けることによって、位置エネルギーによる圧力上昇効果を利用できる。
上記図２〜図５では、主熱交換器４を一つとして設けた構成例を示したが、主熱交換器は複数設けても良い。例えば、圧縮空気と酸素との間で熱交換する主熱交換器と、圧縮空気と窒素との間で熱交換する主熱交換器等に分けてもよい。圧縮空気と酸素との間で熱交換する主熱交換器は複数設けてもよく、圧縮空気と窒素との間で熱交換する主熱交換器も複数設けてもよい。
本発明に係る空気分離装置において用いる空気圧縮機２の種類は特に限定されないが、原料空気を、例えば、１０００ｋＰａ（Ｇ）以下の圧力に圧縮できるものを用いることができる。
本発明に係る空気分離装置によれば、低圧の酸素を製造でき、具体的には、３００ｋＰａ（Ｇ）以下の圧力の酸素を製造できる。空気圧縮機２の種類によっては、１５０ｋＰａ（Ｇ）以下の圧力の酸素または１００ｋＰａ（Ｇ）以下の圧力の酸素を製造できる。
１ 深冷式空気分離装置
２ 空気圧縮機
４ 主熱交換器
５ 高圧精留塔
６ 低圧精留塔
６ａ 低圧精留塔６内に設けられた主凝縮器
９ 膨張タービン
２１ 液体空気貯槽
２２ 液体酸素貯槽
３１ 第１流量調整弁
３２ 第２流量調整弁
３３ 熱交換器
Ｌ１ 第１経路
Ｌ３ 第２経路
Ｌ１０ 低圧精留塔６から窒素を取り出す経路

Claims (4)

  1. 原料空気を圧縮する空気圧縮機と、
    前記空気圧縮機で圧縮された圧縮空気を用いて熱交換する主熱交換器と、
    前記主熱交換器を経た圧縮空気から少なくとも酸素を分離する高圧精留塔および低圧精留塔を備える精留塔と、
    液体空気を貯液する液体空気貯槽と、
    液体酸素を貯液する液体酸素貯槽と、
    前記空気圧縮機で圧縮された圧縮空気を、前記主熱交換器を介して前記高圧精留塔へ供給する第１経路と、
    前記低圧精留塔から取り出した液体酸素を、前記液体酸素貯槽および前記主熱交換器を介して製品酸素として取り出す第２経路と
    を有する空気分離装置において、
    前記第１経路には、前記空気圧縮機より下流側に第１流量調整弁が設けられており、
    前記第１経路は、前記空気圧縮機より下流側で前記第１流量調整弁より上流側で分岐し、
    分岐した分岐路は、前記液体空気貯槽、および第２流量調整弁を介して前記高圧精留塔に接続されており、
    当該分岐路には、昇圧空気圧縮機は備えられていないことを特徴とする空気分離装置。
  2. 前記液体酸素貯槽には、内部に熱交換器が設けられており、
    前記分岐路は、前記液体酸素貯槽の内部に設けられた熱交換器、前記液体空気貯槽、および前記第２流量調整弁を介して前記高圧精留塔に接続されており、
    当該分岐路には、昇圧空気圧縮機は備えられていない請求項１に記載の空気分離装置。
  3. 原料空気を圧縮する空気圧縮機と、
    前記空気圧縮機で圧縮された圧縮空気を用いて熱交換する主熱交換器と、
    前記主熱交換器を経た圧縮空気から少なくとも酸素を分離する高圧精留塔および低圧精留塔を備える精留塔と、
    液体空気を貯液する液体空気貯槽と、
    液体酸素を貯液する液体酸素貯槽と、
    前記空気圧縮機で圧縮された圧縮空気を、前記主熱交換器を介して前記高圧精留塔へ供給する第１経路と、
    前記低圧精留塔から取り出した液体酸素を、前記液体酸素貯槽および前記主熱交換器を介して製品酸素として取り出す第２経路と
    を有する空気分離装置において、
    前記第１経路は、前記空気圧縮機より下流側で分岐し、
    分岐した分岐路は、前記液体空気貯槽、および第２流量調整弁を介して前記低圧精留塔に接続されており、
    当該分岐路には、昇圧空気圧縮機は備えられていないことを特徴とする空気分離装置。
  4. 前記液体酸素貯槽には、内部に熱交換器が設けられており、
    前記分岐路は、前記液体酸素貯槽の内部に設けられた熱交換器、前記液体空気貯槽、および前記第２流量調整弁を介して前記低圧精留塔に接続されており、
    当該分岐路には、昇圧空気圧縮機は備えられていない請求項３に記載の空気分離装置。
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