JP2017078532A - 酸素製造システム及び酸素製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】窒素製造プロセスへの影響を抑え、高純度の酸素ガス及び液体酸素の少なくとも一方を効率的に製造する酸素製造システムの提供。
【解決手段】窒素製造装置Ｆと酸素製造装置を組み合わせた酸素製造システムであり、酸素製造装置が、冷却加圧空気を導入する容器Ａと、下部に凝縮−蒸発器を有する精留塔Ｃとを備え、容器底部に貯液された液体を導出する第１流路２２と、第１流路２２から導出した液体の一部を精留塔上部に導入する第２流路２４と、窒素製造装置Ｆから酸素リッチ液化空気の一部を導出し精留塔中間段に導入する第３流路３２と、第１流路２２から分岐した液体の一部を窒素製造装置Ｆに寒冷源として導入する第４流路２３と、精留塔Ｃ底部Ａ側からの理論段数が５〜１０段の範囲内の位置から凝縮−蒸発器Ｂにおいて液化空気の凝縮熱により気化した酸素ガスを導出する第５流路３３とを備える酸素製造システム１０００。
【選択図】図２

Description

本発明は、酸素製造システム及び酸素製造方法に関する。特に、窒素製造プロセスにおける排出流体を利用して酸素ガス及び液体酸素を効率的に製造するための酸素製造システム及び酸素製造方法に関する。

従来、酸素の製造装置の一つとして、低温空気分離プラントが広く知られている。一般に、低温空気分離プラントは、複数の蒸留塔を使用して順次分離効率を上げて、最終製品として、主として窒素、酸素及びアルゴンを製造することができる。

半導体プロセスを含めた窒素の需要は、酸素などの他のガスの需要に比べて非常に大きい。そのため、市場での使用量と生産量とのバランスがとられる結果、窒素製造装置が多く用いられている。窒素製造装置は、主として空気を原料とし、圧縮・精製プロセスを経由して窒素ガス及び液体窒素を製造する。しかし、窒素製造装置では、窒素を製造する際に、酸素を多く含んだガスを、廃ガスとして排出していた。

一方、窒素のみの需要が主である工場あるいは地域であっても、既存の窒素製造装置の近傍に酸素の需要が生じる場合がある。このような場合には、上記の窒素製造装置からの廃ガスを利用する酸素製造装置を設置して酸素を製造することや、新たな酸素製造装置を設置して、空気を原料として常温分離法や深冷分離法などによって酸素を製造することが行われる。

既存の窒素製造装置を利用した酸素の製造方法としては、例えば、特許文献１に開示されたような装置を例示することができる。係る装置は、図４に示すように、原料空気中の水分及び炭酸ガスを除去した後、その全量を窒素精留塔１０に導入して冷却液化させること、窒素精留塔１０から製品としての窒素を採取すること、窒素精留塔１０にて得られる酸素リッチ液化空気を窒素凝縮器１４の冷熱源として使用すること、成出した酸素リッチ液化空気を酸素精留塔２０のリボイラ２４の加熱源として使用すること、並びに、凝縮して成出した酸素リッチ液化空気を酸素精留塔２０の酸素原料及び還流液として使用することを含んでおり、窒素の回収率を維持しながら酸素を製造している。

特許第３２０３１８１号公報

既存の窒素製造装置の近傍にて酸素の製造を行う場合、酸素製造装置を新しく設置すると経済的な負担が大きくなる。またこの場合には、既存の窒素製造装置及び新設した酸素製造装置の両方から副生された酸素ガスあるいは窒素ガスが廃出されることになり、排ガスやエネルギーにおけるロスが大きい。そこで、既存の窒素製造装置の近傍にて酸素の製造を行う場合、特許文献１に開示されたような、窒素製造装置に付帯的に酸素製造装置を設置する方法を用いることが考えられるが、以下のような問題が懸念される。

すなわち、特許文献１に開示された方法では、窒素製造装置の下部にある空間に溜まった酸素リッチ液化空気が、膨張弁を介して第二精留塔の精留部の上部に供給される。そして、下方から上昇する気体とこれに向流する液体とが気液接触することにより、下降する
液体から低沸点成分（特に酸素）が放出される。これにより、酸素の濃度が高まった状態で第二精留塔の下部にある空間に溜まることになる。そして第二精留塔の下部にある空間に溜まった酸素リッチなガスは製品酸素ガスとして払いだされる。

ところが、当該酸素中には、原料空気中に含まれているメタン等の高温沸点成分が残留しているという問題があった。つまり、特許文献１に記載の方法では、高純度の酸素、具体的には純度９９．９９９９％程度の酸素を得ることができない。したがって、特許文献１に記載の方法によって高純度の酸素を製造する場合には、高温下における貴金属触媒反応を利用してメタン等の高沸点成分を水分、二酸化炭素に転化し、さらに合成ゼオライト等を吸着材とする圧力式変動装置によって酸素ガスを精製する必要があった。そのため、設備投資や、触媒反応に必要な温度を得るための熱源、及び不純物を吸着したゼオライト等の再生のために電力を要するという問題があった。

また、酸素リッチ液化空気を酸素製造装置の原料として利用するだけでは、全体としての製造の効率は必ずしも十分とは言えなかった。すなわち、窒素製造装置及び酸素製造装置の両者を組み合わせて効率よく窒素、酸素を製造する場合には、エネルギー及び排出ガス等の全体の収支をさらに考慮する必要がある。

従って、本発明の幾つかの態様に係る目的の一つは、既存の窒素製造プロセスへの影響を小さく抑え、高純度の酸素ガス及び高純度の液体酸素の少なくとも一方を効率的に製造することのできる酸素製造システム及び酸素製造方法を提供することにある。

本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するために為されたものであり、以下の態様又は適用例として実現することができる。

本発明に係る酸素製造システムの一態様は、
窒素製造装置及び酸素製造装置を組み合わせた酸素製造システムであって、
前記酸素製造装置は、
冷却された加圧空気が導入される容器（Ａ）と、
下部に凝縮−蒸発器（Ｂ）を有する精留塔（Ｃ）と、
を備えており、
前記容器（Ａ）底部に貯液された液体を導出する第１流路と、
前記第１流路から導出された前記液体の一部を前記精留塔（Ｃ）上部に導入するための第２流路と、
前記窒素製造装置から酸素リッチ液化空気の少なくとも一部を導出し前記精留塔（Ｃ）中間段に導入するための第３流路と、
前記第１流路から分岐した、前記液体の少なくとも一部を前記窒素製造装置に寒冷源として導入するための第４流路と、
前記精留塔（Ｃ）底部側からの理論段数が５〜１０段の範囲内の位置から、前記凝縮−蒸発器（Ｂ）において液化空気の凝縮熱により気化した酸素ガスを導出する第５流路と、を備える。

このような酸素製造システムによれば、既存の窒素製造プロセスへの影響を小さく抑え、高純度の酸素ガス及び高純度の液体酸素の少なくとも一方を効率的に製造することができる。

単独の窒素製造装置では、典型的には約３０％以上の酸素を含む酸素リッチ液化空気が余剰となり得る。本発明に係る酸素製造システムでは、係る酸素リッチ液化空気を酸素製造装置の原料として利用する。すなわち、本発明に係る酸素製造システムでは、係る原料
を酸素製造装置に供給して高純度の酸素ガス及び高純度の液体酸素の少なくとも一方を製品として得ることができる。さらに、本発明に係る酸素製造システムでは、酸素製造装置で余剰となった液化空気を窒素製造装置に寒冷源として供給する。これにより、窒素製造装置のパフォーマンスの低下を抑え、エネルギー及び排出ガスの無駄を小さく抑えて高純度の酸素ガス及び高純度の液体酸素の少なくとも一方を効率的に製造することができる。

本発明に係る酸素製造システムにおいて、
前記気化した酸素ガスが液化される酸素液化部（Ｄ）と、
前記第１流路から分岐した、前記液体の少なくとも一部を前記酸素液化部（Ｄ）に寒冷源として導入するための第６流路と、
前記酸素液化部（Ｄ）の内部に配設され、前記気化した酸素ガスが前記第５流路を介して導入される酸素凝縮器（Ｅ）と、
前記酸素凝縮器（Ｅ）内において生成した液体酸素を導出するための第７流路と、
を備えてもよい。

このような酸素製造システムによれば、酸素製造装置において余剰となる低温の液体の一部を、酸素を液化するための寒冷源として利用することができる。これにより、酸素を液化するための寒冷を発生させるためのエネルギーを削減することができる。そのため、例えば、従来では液体窒素等の冷媒を供給していたところ、これを不要とすることができる。

本発明に係る酸素製造システムにおいて、
前記精留塔（Ｃ）上段から廃ガスが導出される第８流路と、
前記酸素液化部（Ｄ）上段からガス化した前記液体が導出される第９流路と、
を備えてもよい。

このような酸素製造システムによれば、第８流路により、精留塔（Ｃ）内で発生した廃ガスを精留塔（Ｃ）外に導出することができ、精留塔（Ｃ）内の圧力を適切に保つことができる。また同様に第９流路により、酸素液化部（Ｄ）内で熱交換によりガス化した液体を系外に放出することができ、酸素液化部（Ｄ）内の圧力を適切に保つことができる。

本発明に係る酸素製造システムにおいて、
前記第８流路と、前記第９流路とが合流することにより形成される第１０流路と、
前記第１０流路を流れる前記廃ガス及び前記ガス化した前記液体の混合ガスが加熱される熱交換器（Ｇ）と、
前記加熱された混合ガスが前記第１０流路を介して導入される第１加圧手段と、
を備えてもよい。

このような酸素製造システムによれば、第１０流路を流れる混合ガスが熱交換器（Ｇ）にて加熱された後に第１加圧手段に導入される。これにより、廃ガス及びガス化した液体に対して、第１加圧手段をそれぞれ設ける必要がない。また、係る第１加圧手段は、低温仕様の圧縮機等ではなく常温仕様の圧縮機等を用いれば足りるので、例えば、設備コストを小さく抑えることができる。

本発明に係る酸素製造システムにおいて、
前記第１加圧手段により加圧された前記混合ガスを前記熱交換器（Ｇ）に導入する第１１流路と、
前記熱交換器（Ｇ）内にて冷却された前記混合ガスを前記容器（Ａ）に導入する第１２流路と、
を備えてもよい。

このような酸素製造システムによれば、第１加圧手段により加圧された混合ガスが熱交換器（Ｇ）内にて冷却され、容器（Ａ）に導入される。これにより、製品酸素（高純度の酸素ガス及び高純度の液体酸素の少なくとも一方）の回収率の向上を図ることができる。

本発明に係る酸素製造システムにおいて、
前記第７流路を介して前記液体酸素が導入される第２加圧手段と、
前記第２加圧手段により加圧された前記液体酸素を前記熱交換器（Ｇ）に導入する第１３流路と、
前記熱交換器（Ｇ）内にて加熱され、ガス化された酸素を導出する第１５流路と、
を備えてもよい。

このような酸素製造システムによれば、液体酸素が第２加圧手段によって加圧された後に、熱交換器（Ｇ）内にて加熱される。これにより、加圧された酸素ガスを得ることができる。また、加圧された液体酸素が熱交換器内で加熱されて蒸発するが、本発明に係る酸素製造システムでは、得られる液体酸素におけるメタン等の炭化水素の濃度が非常に低く抑えられる。そのため、熱交換器（Ｇ）内にて炭化水素類が固化しにくく、熱交換器（Ｇ）内にメタン等の炭化水素類が蓄積しにくいため、より安全に高純度の酸素ガスを製造することができる。

本発明に係る酸素製造方法の一態様は、
冷却された加圧空気が導入される容器（Ａ）と、下部に凝縮−蒸発器（Ｂ）を有する精留塔（Ｃ）と、を備えている酸素製造装置を、窒素製造装置に組み合わせて用いる酸素製造方法であって、
前記容器（Ａ）底部に貯液された液体を第１流路を介して導出する工程と、
前記導出された液体の一部を、前記精留塔（Ｃ）上部に第２流路を介して導入する工程と、
前記窒素製造装置から酸素リッチ液化空気の少なくとも一部を導出し、第３流路を介して前記精留塔（Ｃ）中間段に導入する工程と、
第４流路を介して、前記液体の少なくとも一部を前記窒素製造装置に寒冷源として導入する工程と、
前記精留塔（Ｃ）底部側からの理論段数が５〜１０段の範囲内の位置から、前記凝縮−蒸発器（Ｂ）において液化空気の凝縮熱により気化した酸素ガスを第５流路を介して導出する工程と、
を有する。

このような酸素製造方法によれば、既存の窒素製造プロセスへの影響を小さく抑え、高純度の酸素ガス及び高純度の液体酸素の少なくとも一方を効率的に製造することができる。

本発明に係る酸素製造方法において、
前記酸素製造装置は、酸素液化部（Ｄ）と、酸素凝縮器（Ｅ）と、を備え、
第６流路を介して前記液体の少なくとも一部を前記酸素液化部（Ｄ）に寒冷源として導入する工程と、
前記気化した酸素ガスを、前記第５流路を介して前記酸素凝縮器（Ｅ）に導入する工程と、
前記酸素凝縮器（Ｅ）内において生成した液体酸素を、第７流路を介して導出する工程と、
を有してもよい。

このようにすれば、酸素製造装置において余剰となる低温の液体の一部を、酸素を液化するための寒冷源として利用することができる。これにより、酸素を液化するための寒冷を発生させるためのエネルギーを削減することができる。そのため、例えば、従来では液体窒素等の冷媒を供給していたところ、これを不要とすることができる。

本発明に係る酸素製造方法において、
前記精留塔（Ｃ）上段から第８流路を介して廃ガスを導出する工程と、
前記酸素液化部（Ｄ）上段から第９流路を介してガス化した前記液体を導出する工程と、
を有してもよい。

このようにすれば、第８流路により、精留塔（Ｃ）内で発生した廃ガスを精留塔（Ｃ）外に導出することができ、精留塔（Ｃ）内の圧力を適切に保つことができる。また同様に第９流路により、酸素液化部（Ｄ）内で熱交換によりガス化した液体を系外に放出することができ、酸素液化部（Ｄ）内の圧力を適切に保つことができる。

本発明に係る酸素製造方法において、
前記酸素製造装置は、熱交換器（Ｇ）と、第１加圧手段と、を備え、
前記第８流路と、前記第９流路とを合流させる第１０流路を流れる前記廃ガス及び前記ガス化した前記液体の混合ガスを、前記熱交換器（Ｇ）において加熱する工程と、
前記加熱された混合ガスを前記第１０流路を介して前記第１加圧手段に導入する工程と、
を有してもよい。

このようにすれば、第１０流路を流れる混合ガスが熱交換器（Ｇ）にて加熱された後に第１加圧手段に導入される。これにより、廃ガス及びガス化した液体に対して、第１加圧手段をそれぞれ設ける必要がない。また、係る第１加圧手段は、低温仕様の圧縮機等ではなく常温仕様の圧縮機等を用いれば足り、例えば、設備コストを小さく抑えることができる。

本発明に係る酸素製造方法において、
前記第１加圧手段により加圧された前記混合ガスを、第１１流路を介して前記熱交換器（Ｇ）に導入し、前記熱交換器（Ｇ）内にて冷却する工程と、
前記冷却された混合ガスを、第１２流路を介して前記容器（Ａ）に導入する工程と、
を有してもよい。

このようにすれば、第１加圧手段により加圧された混合ガスが熱交換器（Ｇ）内にて冷却され、容器（Ａ）に導入される。これにより、製品酸素（高純度の酸素ガス及び高純度の液体酸素の少なくとも一方）の回収率の向上を図ることができる。

本発明に係る酸素製造方法において、
前記酸素製造装置は、第２加圧手段を備え、
前記液体酸素を、前記第７流路を介して前記第２加圧手段に導入する工程と、
前記第２加圧手段により加圧された前記液体酸素を、第１３流路を介して前記熱交換器（Ｇ）に導入する工程と、
前記熱交換器（Ｇ）内にて加熱されガス化された酸素を、第１５流路を介して導出する工程と、
を有してもよい。

このようにすれば、液体酸素が第２加圧手段によって加圧された後に、熱交換器（Ｇ）
内にて加熱される。これにより、加圧された酸素ガスを得ることができる。また、加圧された液体酸素が熱交換器内で加熱されて蒸発するが、本発明に係る酸素製造方法では、得られる液体酸素におけるメタン等の炭化水素の濃度が非常に低く抑えられる。そのため、熱交換器（Ｇ）内にて炭化水素類が固化しにくく、熱交換器（Ｇ）内にメタン等の炭化水素類が蓄積しにくいため、より安全に高純度の酸素ガスを製造することができる。

本発明に係る酸素製造システム又は酸素製造方法によれば、窒素製造装置から排出される酸素リッチ液化空気を酸素製造装置の原料として利用し、かつ、酸素製造装置で余剰となった液化空気を窒素製造装置に寒冷源として供給する。これにより、窒素製造装置のパフォーマンスを低下させずに、エネルギー及び排出ガスの無駄を小さく抑えて高純度の酸素ガス及び高純度の液体酸素の少なくとも一方を効率的に製造することができる。

本発明に係る窒素製造装置と酸素製造装置の関係性の概念を示す概略図。 本発明に係る酸素製造装置の供給装置の第１構成例を示す概略図。 本発明に係る窒素製造装置の具体例を記した、第１構成例における詳細を例示する概略図。 従来の窒素製造装置に併設される酸素製造装置の構成例を示す概略図。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

本発明に係る酸素製造システムは、窒素製造装置及び酸素製造装置を組み合わせた酸素製造システムである。そして、酸素製造装置は、容器（Ａ）と、精留塔（Ｃ）と、を備えている。また、酸素製造装置は、第１流路と、第２流路と、第３流路と、第４流路と、第５流路と、を備えている。

１．酸素製造装置の概要
図１は、酸素製造システムの概念を示した図である。図１に示すように、本実施形態に係る酸素製造システムは窒素製造装置と酸素製造装置とが、少なくとも窒素製造装置からの酸素リッチ液化空気供給路と酸素製造装置からの液化空気供給によって結合された構成である。

本実施形態の酸素製造システムは、加圧空気を供給するための圧縮機１と、加圧空気に含有される水分及び二酸化炭素を除去するための空気精製システムと、水分及び二酸化炭素が除去された空気が導入され、精留されることにより窒素ガスが生成される窒素製造装置と、窒素製造装置から酸素リッチ液化空気が導入され、精留されることにより酸素が生成される酸素製造装置と、を備えている。

また、本実施形態の酸素製造システムでは、窒素製造装置の廃ガスは、熱交換手段（図示せず）に導入され常温に戻された後、空気精製システムに戻されるように構成されている。そして、窒素製造装置と酸素製造装置とは、窒素製造装置からの酸素リッチ液化空気及び液化空気の流れにより熱的に接続されており、窒素製造装置から酸素製造装置へと供給された酸素リッチ液化空気とほぼ同量の液化空気が酸素製造装置から窒素製造装置へと供給されるようになっている。

本実施形態の酸素製造システムに含まれる酸素製造装置においては、空気精製システムを介して空気の一部を更に圧縮する圧縮機２と、酸素製造装置から導出されるリサイクル空気を圧縮するための圧縮機３とを備えている。圧縮機２で圧縮された加圧空気及び圧縮機３により圧縮されたリサイクル空気は、酸素製造装置に導入され、凝縮−蒸発器（図示せず）に導入されて間接熱交換されることにより、液化空気を生成し、凝縮−蒸発器の底部に液体として貯液される。余剰の液化空気は、寒冷源として窒素製造装置及び酸素液化部（図示せず）に供給される。酸素製造装置で発生した廃ガスの一部は、廃ガスパージとして窒素製造装置で生成した廃ガスと合流して空気精製システムの再生に用いられる。

以上のように、本実施形態に係る酸素製造システムによれば、窒素製造装置と酸素製造装置の両方に対して、同時補完的に原料や副生物の利用を図ることができる。

２．酸素製造装置の詳細
図２は、本実施形態に係る酸素製造システムのより具体的な例としての酸素製造システム１０００を示す。図２の酸素製造装置は、本実施形態の酸素製造システムに使用可能な装置の一例を示している。図２に示すように、酸素製造システム１０００は、窒素製造装置（Ｆ）から、酸素リッチ液化空気が酸素原料として第３流路３２を介して精留塔（Ｃ）の中間段に導入される。ここで酸素リッチ液化空気とは、原料空気（大気）に比較して酸素濃度の高い空気（酸素が富化された空気）が液化したものを指し、例えば酸素濃度が３０％以上である液化空気をいう。

酸素製造システム１０００は、精留塔（Ｃ）を有している。精留塔（Ｃ）の下部には、凝縮−蒸発器（Ｂ）が設置されている。また、精留塔（Ｃ）の底部には、容器（Ａ）が設けられ、容器（Ａ）の頂部は、凝縮−蒸発器（Ｂ）を介して精留塔（Ｃ）に熱的にリンクしている。

容器（Ａ）には、圧縮機２００によって加圧された加圧空気及びリサイクル圧縮機３００（第１加圧手段）によって加圧された加圧リサイクル空気の少なくとも一方が導入される。加圧空気は、膨張弁（Ｈ）で自由膨張にて減圧冷却された後、第１４流路２１を介して容器（Ａ）に導入される。また、加圧空気及び加圧リサイクル空気は、熱交換器（Ｇ）において向流する他の流体と間接熱交換をすることによって、液化温度付近まで冷却された後、容器（Ａ）に導入される。なお、加圧リサイクル空気は第１２流路３１を介して容器（Ａ）に導入される
加圧空気及び加圧リサイクル空気は、容器（Ａ）に導入され、凝縮−蒸発器（Ｂ）に導入される。そして、加圧空気及び加圧リサイクル空気は、凝縮−蒸発器（Ｂ）において、精留塔（Ｃ）の塔底に貯液される液体酸素を蒸発させるために使われる。すなわち、加圧空気及び加圧リサイクル空気は、一部が液化して、液化空気となり、容器（Ａ）の底部に液体として貯液される。

容器（Ａ）の底部に貯液されている液体（液化空気）は、容器（Ａ）の下部に接続された第１流路２２を介して導出され、少なくとも一部は第２流路２４を介して精留塔（Ｃ）の上部に供給される。また、容器（Ａ）の底部に貯液されている液体（液化空気）は、一部、具体的には窒素製造装置から酸素製造装置に供給される酸素リッチ液化空気と同量の液化空気は、第４流路２３を介して窒素製造装置に寒冷源として導入され、少なくとも一部は第６流路２５を介して酸素液化部（Ｄ）へ寒冷源として供給される。

精留塔（Ｃ）では、精留塔（Ｃ）の上部に供給される還流液（液化空気）及び窒素製造装置から精留塔（Ｃ）の中間段に導入された酸素リッチ液化空気は、塔内を流下し、精留塔（Ｃ）の底部から上昇する蒸気と気液接触する。これにより精留され塔底に液体酸素が生成される。

このとき、精留塔（Ｃ）の底部側からの理論段数が５〜１０段の範囲内の位置から、メタン濃度が２５ｐｐｍ以下である酸素ガスが第５流路３３を介して導出される。また、精留塔（Ｃ）の塔底部からは、炭化水素等の濃縮防止用の液体が取り出される（図示せず）。また、精留塔（Ｃ）の塔頂部からは組成が空気に近い廃ガスが第８流路２７を介して導出される。

酸素製造システム１０００は、酸素液化部（Ｄ）を有している。精留塔（Ｃ）の底部側からの理論段数が５〜１０段の範囲内の位置から取り出された酸素ガスは、第５流路３３を介して酸素液化部（Ｄ）内に配設される酸素凝縮器（Ｅ）に導入される。

酸素液化部（Ｄ）では、容器（Ａ）に溜まった液化空気が、第６流路２５を介して導入され、酸素ガスと間接的な熱交換が行われる。これによって、酸素ガスは液化され、第７流路３４を介して液体酸素が導出される。係る液体酸素は、メタン濃度が２５ｐｐｍ以下であって高純度となっている。

一方、酸素液化部（Ｄ）で熱交換される液化空気は、酸素ガスの凝縮熱により気化し、酸素液化部（Ｄ）の塔頂部から、第９流路２６を介して廃ガスとして取り出される。

酸素製造システム１０００は、熱交換器（Ｇ）を有している。精留塔（Ｃ）の塔頂部から取り出された廃ガスと、酸素液化部（Ｄ）の塔頂部から取り出された廃ガスは合流され、リサイクル空気流を形成した後、熱交換器（Ｇ）に導入される。

熱交換器（Ｇ）では、リサイクル空気流が、向流する他の流体によって常温付近まで加熱される。リサイクル空気流は、第１０流路２８を介して導出され、リサイクル圧縮機３００（第１加圧手段）によって加圧される。そして昇圧された後に第１１流路３０を介して熱交換器（Ｇ）に導入され、向流する他の流体により液化温度付近まで冷却される。なお、リサイクル空気流は、必要に応じて一部が配管２９を介して系外に排出される。

酸素液化部（Ｄ）にて生成した高純度の液体酸素は、第７流路３４を介して導出され、低温ポンプ３５０（第２加圧手段）で加圧された後、第１３流路３５を介して熱交換器（Ｇ）に導入される。そして向流する他の流体により常温まで加熱された後、第１５流路３６を介して酸素ガス（高純度の製品）として導出される。なお、酸素製造システム１０００から、酸素を、液体酸素（高純度の製品）として導出する場合には、低温ポンプ３５０（第２加圧手段）に導入する前で第７流路３４を分岐させ、液体酸素を取り出してもよい。また、係る液体酸素は、タンク等の貯蔵手段に送ってもよい。

酸素製造システム１０００では、冷却された加圧空気は、容器（Ａ）に送られる。容器（Ａ）の上部と精留塔（Ｃ）とは凝縮−蒸発器（Ｂ）を介して熱的にリンクしており、加圧空気の一部は、凝縮−蒸発器（Ｂ）に導入されて精留塔（Ｃ）塔底に貯液されている液体酸素と間接熱交換される。これにより液化空気となった後、凝縮−蒸発器（Ｂ）から導出され、容器（Ａ）の底部に液体として貯液される。

そして、容器（Ａ）の下部に設けられた第１流路２２を介して導出され、第１流路２２から分岐した第２流路２５を介して導出された液体の一部が精留塔（Ｃ）上部に還流液として導入される。

窒素製造装置からは、その副生物である酸素リッチ液化空気（窒素製造装置にとっては、低濃度成分）の少なくとも一部を導出し、酸素製造装置に高純度酸素の原料として精留塔（Ｃ）の中間段に第３流路３２を介して供給する。また、第１流路２２から分岐した第
４流路２３を介して液体（酸素リッチ液化空気と比較して、窒素分を多く含んでいる）の少なくとも一部が、窒素製造装置に寒冷源として供給される。従って、窒素製造装置の窒素製造プロセスに与える影響を小さく抑え、窒素製造装置から酸素製造装置へと高純度酸素の原料となる酸素リッチ液化空気の供給が可能となる。このように、本実施形態の酸素製造システム１０００によれば、窒素の製造と酸素の製造との両方のプロセスに対して同時補完的に原料、副生物、エネルギーなどの利用を図ることができる。

これに加えて、本実施形態の酸素製造システム１０００によれば、精留塔（Ｃ）の底部側からの理論段数が５〜１０段の範囲内の位置から、凝縮−蒸発器（Ｂ）において加圧空気と熱交換することにより発生する酸素ガスが、第５流路３３を介して導出される。そして、メタン等の高沸点の成分が精留塔（Ｃ）の上部から下降する酸素リッチ液化空気と気液接触させることにより、メタン等の炭化水素濃度が非常に低い酸素ガス（製品）を製造することができる。さらに、酸素製造システム１０００では、窒素製造装置及び酸素製造装置の運転に適した各成分の気液の状態あるいは温度及び／又は圧力を合致させることができる。

以上の説明の通り、本実施形態の酸素製造システム１０００は、既設の窒素製造装置と非常に効率よく機能する組合せにより形成されている。

なお、酸素製造システム１０００を用いることにより製造した高純度の酸素ガス中のメタン濃度を試算したところ、２５ｐｐｍ以下であり、半導体工業等の分野において必要とされる高純度の酸素を製造することができることが分かった。

３．窒素製造装置の詳細
次に図３を用いて、酸素製造システム１０００の窒素製造装置の詳細を説明する。図２の窒素製造装置は、本実施形態の酸素製造システムに使用可能な装置の一例を示している。窒素製造装置は、例えば高純度の窒素の生産量が、１７，０００Ｎｍ^３／ｈｒ，８．８ＢａｒＡである。また、これに併設される酸素製造装置は、例えば高純度の酸素の生産量が、５００Ｎｍ^３／ｈｒ，９．６ＢａｒＡである。なお以下の項では、各工程のガス、液体の温度、圧力、量等の具体的数値を一例として記載する。しかし、係る値は説明のために記載するものであって、本発明の酸素製造システム、酸素製造方法を何ら限定するものではない。

一例として、原料とする空気は、約２９１６４Ｎｍ^３／ｈｒであり、フィルター（図示せず）で除塵後、供給手段１９８によって約９．２ＢａｒＡの圧力まで加圧される。次に、空気精製システム１９９により水分や二酸化炭素等の不純物が除去される。得られる加圧空気のうち、約７０４Ｎｍ^３／ｈｒは分岐（Ｔ）を経て空気圧縮手段２００に導入され、残りの約２８９１０Ｎｍ^３／ｈｒの加圧空気は配管１を介して熱交換器４０に導入される。

加圧空気は、熱交換器内４０内で向流する他の流体との間接的な熱交換により約−１６５℃まで冷却され、冷却状態の加圧空気となり、配管２を介して窒素製造装置（Ｆ）の中圧精留塔１００の下部へ供給される。

中圧精留塔１００へ供給された加圧空気は、中圧精留塔１００の中を上昇して、上方から流下する液体窒素を主成分とする還流液と向流し気液接触状態となる。これによって、気相中の酸素が還流液の中に溶け込み、他方、還流液中の窒素が気化して気相中に放出される。この結果、中圧精留塔１００の上部には、窒素ガスが溜まり、下部には酸素リッチ液化空気が溜まる。中圧精留塔１００の下部から、約−１６８℃の酸素リッチ液化空気が、約２５０５６Ｎｍ^３／ｈｒの量で配管３を介して導出され、第１凝縮−蒸発器５０を内
部に配設する第１凝縮−蒸発器セクション１０１へと供給される。

中圧精留塔１００の上部に溜まった窒素ガスは、第１凝縮−蒸発器５０に温熱源として供給される。圧力が約８．９６ＢａｒＡの窒素ガス、約１３２００Ｎｍ^３／ｈｒは、第１凝縮−蒸発器５０に導入され、第１凝縮−蒸発器セクション１０１に貯液されている酸素リッチ液化空気が蒸発し、第１凝縮−蒸発器セクション１０１内に廃ガスを形成し、窒素ガス自らは液化して約１３２００Ｎｍ^３／ｈｒの液体窒素となり、中圧精留塔１００上部に導入された後、還流液として中圧精留塔１００の上方から流下する。

第１凝縮−蒸発器セクション１０１の上部から酸素濃度が約２８％、温度が約−１７２℃、圧力が約５．４６ＢａｒＡの廃ガス、約１３１４９Ｎｍ^３／ｈｒが配管９を介して導出された後、昇圧機８０に導入される。廃ガスは、昇圧機８０にて約９．１１ＢａｒＡまで昇圧されて高圧の廃ガスとなった後、配管１０を介して熱交換器４０に導入され、向流する他の流体との間接熱交換することにより、約−１６５℃まで冷却され、冷却状態の廃ガスとなる。そして、配管１１を介して中圧精留塔１００下部に導入される。冷却状態の廃ガス中の酸素濃度は、加圧空気の酸素濃度と比較して高いので、配管１１は、配管２が中圧精留塔１００に接続される部位よりも下部に接続されることが好ましい。

第１凝縮−蒸発器セクション１０１に貯液される酸素リッチ液化空気の一部が、第１凝縮−蒸発器セクション１０１から導出され、温度が約−１７２℃、圧力が約４．３ＢａｒＡまで減圧され、約１２８１７Ｎｍ^３／ｈｒが配管４を介して第２凝縮−蒸発器セクション１０２へと導入される。

中圧精留塔１００の上部に溜まった窒素ガスは、第２凝縮−蒸発器６０の温熱源として供給される。例えば、圧力が約８．９６ＢａｒＡの窒素ガス、約１５１００Ｎｍ^３／ｈｒは、第２凝縮−蒸発器６０に導入され、第２凝縮−蒸発器セクション１０２に貯液されている酸素リッチ液化空気を蒸発させ、第２凝縮−蒸発器セクション１０２内に酸素リッチ廃ガスを形成し、窒素ガス自らは液化して液体窒素となり、還流液として中圧精留塔１００の上方から流下する。

温度が約−１７２．３℃、圧力が約４．３ＢａｒＡの酸素リッチ廃ガス、約１１９０７Ｎｍ^３／ｈｒが、第２凝縮−蒸発器セクション１０２の上部から配管５を介して熱交換器４０に導入される。そして、向流する他の流体との間接熱交換することにより、約−１４３℃まで加熱され、酸素リッチ廃ガスとなる。酸素リッチ廃ガスは、更に配管６を介して膨張タービン７０に導入され断熱膨張することにより、圧力が約１．２４ＢａｒＡまで減圧されると共に、約−１７８℃まで冷却された酸素リッチ廃ガスが形成される。

酸素リッチ廃ガスは、配管７を介して再度熱交換器４０に導入され、向流する他の流体との間接的な熱交換により、約５２℃まで加熱された酸素リッチ廃ガスとなり、配管８を介して空気精製システム１９９に導入され、空気精製システム１９９の再生に用いられる。

圧力が約９．０ＢａｒＡの窒素ガス、約１７０００Ｎｍ^３／ｈｒは、中圧精留塔１００の上部から配管１２を介して導出された後に熱交換器４０に導入され、向流する他の流体により約５２℃まで加熱され、製品窒素ガスとして配管１３を介して導出される。

第２凝縮−蒸発器セクション１０２から、圧力約４．３ＢａｒＡ、温度約−１７２℃の酸素リッチ液化空気、約９１０Ｎｍ^３／ｈｒが、配管（第３流路３２）を介して酸素製造装置の精留塔（Ｃ）中段へと原料として導出される。

ここで、第２凝縮−蒸発器セクション１０２に貯液されている液体は高濃度のハイドロカーボン（メタン等）を含有しており、仮に窒素製造装置のみで稼働させた場合、第２凝縮−蒸発器セクション１０２から、圧力が約４．３ＢａｒＡ、温度が約−１７２℃の酸素リッチ液化空気、約６０Ｎｍ^３／ｈｒを外部へパージすることとなる。本実施形態の酸素製造システム１０００においては、本来外部にパージされる酸素リッチ液化空気のうち、約６０Ｎｍ^３／ｈｒを外部へパージすることなく、酸素製造のために用いることができる。また、系から寒冷を放出することなく窒素製造を行うことができる。

４．酸素製造システムによる酸素の製造
以下、上述の酸素製造システム１０００による酸素の製造方法をより具体的に説明する。

空気供給手段（空気圧縮機１９８、空気精製システム１９９）で昇圧された原料としての空気の一部、約７０４Ｎｍ^３／ｈｒは、分岐（Ｔ）を経て配管２０を介して空気圧縮手段２００に導入される。空気圧縮手段２００によって、約２３ＢａｒＡまで加圧されて加圧空気となった後に、熱交換器（Ｇ）へと導入され、向流する他の流体との間接的な熱交換が行われる。これにより約−１６３℃まで冷却され、バルブ（Ｈ）を介して約９．３６３ＢａｒＡまで自由膨張される。これにより温度が約−１６８℃まで冷却された加圧空気となり、配管（第１４流路２１）を介して容器（Ａ）に導入される。

リサイクル空気圧縮機３００（第１加圧手段）から導出された圧力が約９．４ＢａｒＡのリサイクル空気、約２７１８Ｎｍ^３／ｈｒが、第１１流路３０を介して熱交換器（Ｇ）へと導入され、向流する他の流体との間接熱交換することにより、約−１６３℃まで冷却される。これにより冷却されたリサイクル空気となり、配管（第１２流路３１）を介して容器（Ａ）に導入される。

窒素製造装置の第２凝縮−蒸発器セクション１０２から、圧力が約４．３ＢａｒＡ、温度が約−１７２℃の酸素リッチ液化空気、約９１０Ｎｍ^３／ｈｒが配管（第３流路３２）を介して酸素製造装置の精留塔（Ｃ）の中段へと導入される。

精留塔（Ｃ）の底部は、容器（Ａ）の頂部と凝縮−蒸発器（Ｂ）によって熱的にリンクしており容器（Ａ）の頂部のガスと精留塔（Ｃ）の塔底部の液体酸素とが熱交換する。具体的には、既に述べたように、加圧空気、約７０４Ｎｍ^３／ｈｒ及びリサイクル空気、約２７１８Ｎｍ^３／ｈｒが、凝縮−蒸発器（Ｂ）の温熱源として供給される。これらのガスは、凝縮−蒸発器（Ｂ）において、塔底部の液体（液体酸素）の蒸発に使われ、自らは液化し、高圧の液化空気、約３４２２Ｎｍ^３／ｈｒが生成する。

該高圧の液化空気、約３４２２Ｎｍ^３／ｈｒは、容器（Ａ）の下部より配管（第１流路２２）を介して導出された後、うち約９８６Ｎｍ^３／ｈｒは、還流液として配管（第２流路２４）を介して精留塔（Ｃ）の上部に供給され、うち約９１０Ｎｍ^３／ｈｒは、窒素製造装置から酸素製造装置に供給された酸素リッチ液化空気に相当する寒冷源として、配管（第４流路２３）を介して窒素製造装置の第１凝縮−蒸発器セクション１０１に導入され、残りの液化空気、約１，５２６Ｎｍ^３／ｈｒは、配管（第６流路２５）を介して酸素液化部（Ｄ）へ寒冷源として供給される。

精留塔（Ｃ）では、配管（第２流路２４）を介して供給された還流液、及び、配管（第３流路３２）を介して導入された酸素リッチ液化空気は、精留塔内を流下し、塔底部からの上昇蒸気と気液接触することにより精留され、塔底には液体酸素が生成される。このとき、精留塔（Ｃ）の底部側からの理論段数が５〜１０段の範囲内の位置から、圧力が約３．１ＢａｒＡの、メタン濃度が２５ｐｐｍ以下である酸素ガス、約５００Ｎｍ^３／ｈｒが
配管（第５流路３３）を介して導出され、精留塔（Ｃ）の塔底部からは約６０Ｎｍ^３／ｈｒの炭化水素等の濃縮防止用液が取り出される（図示せず）。また、精留塔（Ｃ）の塔頂部からは、圧力が約３．１ＢａｒＡ、温度が約−１７９．４℃のリサイクル空気、約２，０７６Ｎｍ^３／ｈｒが配管（第８流路２７）を介して導出される。

酸素液化部（Ｄ）では、酸素ガス、約５００Ｎｍ^３／ｈｒが酸素液化部（Ｄ）内に配設された酸素凝縮器（Ｅ）に導入され、液化空気と間接熱交換されることにより、圧力が約３．１ＢａｒＡの高純度の液体酸素、約５００Ｎｍ^３／ｈｒが生成され、配管（第７流路３４）を介して導出される。また、酸素液化部（Ｄ）の塔頂部からは、圧力が約５．７ＢａｒＡの空気廃ガス、約７８７Ｎｍ^３／ｈｒが配管（第９流路２６）を介して取り出される。

精留塔（Ｃ）の塔頂部から導出される配管（第８流路２７）と、酸素液化部（Ｄ）の塔頂部から取り出される配管（第９流路２６）は合流され、圧力が約３．１ＢａｒＡ、温度が約−１７５℃の低温のリサイクル空気、約２，８６３Ｎｍ^３／ｈｒの流れが形成される。当該低温のリサイクル空気は、熱交換器（Ｇ）において向流する加圧空気及び圧縮後のリサイクル空気によって常温まで加熱されたリサイクル空気流を形成し、配管（第１０流路２８）を介して熱交換器（Ｇ）より導出され、加熱されたリサイクル空気、約１４５Ｎｍ^３／ｈｒが配管（排ガスパージライン２９）を介して系外に排出された後、既述の通り圧縮及び冷却に供される。

生成した高純度の液体酸素、約５００Ｎｍ^３／ｈｒは、配管（第７流路３４）を介して導出された後、低温ポンプ等の低温ポンプ３５０（第２加圧手段）で例えば圧力が５．０〜９．８ＢａｒＡまで加圧された後、配管（第１３流路３５）を介して熱交換器（Ｇ）へと導入され、向流する他の流体との間接熱交換して常温まで加熱され、配管（第１５流路３６）を介して製品酸素ガスとして導出される。

液体酸素で貯蔵することが所望であれば、高純度液体酸素の一部を第２加圧手段３５０で昇圧する前に、タンク等の貯蔵手段に移送してもよい。

以上のように、本実施形態の酸素製造システム１０００は、既設の窒素製造装置と非常に効率よく機能するように、酸素製造装置を組合せることができる。

なお、例示した数値をもとに、本システムにより生成した高純度の酸素中のメタン濃度を試算したところ、２５ｐｐｍ以下であり、半導体工業等の分野において必要とされる高純度酸素を製造することが可能であることがわかった。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法、及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

２１ 第１４流路
２２ 第１流路
２３ 第４流路
２４ 第２流路
２５ 第６流路
２６ 第９流路
２７ 第８流路
２８ 第１０流路
２９ 廃ガスパージライン
３０ 第１１流路
３１ 第１２流路
３２ 第３流路
３３ 第５流路
３４ 第７流路
３５ 第１３流路
１９８ 空気圧縮機
１９９ 空気精製システム
２００ 空気圧縮機
３００ リサイクル空気圧縮機（第１加圧手段）
３５０ 低温ポンプ（第２加圧手段）
Ａ 容器
Ｂ 凝縮−蒸発器
Ｃ 精留塔
Ｄ 酸素液化部
Ｅ 酸素凝縮器
Ｆ 窒素製造装置
Ｇ 熱交換器
Ｈ 膨張弁

Claims (12)

1. 窒素製造装置及び酸素製造装置を組み合わせた酸素製造システムであって、
   前記酸素製造装置は、
   冷却された加圧空気が導入される容器（Ａ）と、
   下部に凝縮−蒸発器（Ｂ）を有する精留塔（Ｃ）と、
   を備えており、
   前記容器（Ａ）底部に貯液された液体を導出する第１流路と、
   前記第１流路から導出された前記液体の一部を前記精留塔（Ｃ）上部に導入するための第２流路と、
   前記窒素製造装置から酸素リッチ液化空気の少なくとも一部を導出し前記精留塔（Ｃ）中間段に導入するための第３流路と、
   前記第１流路から分岐した、前記液体の少なくとも一部を前記窒素製造装置に寒冷源として導入するための第４流路と、
   前記精留塔（Ｃ）底部側からの理論段数が５〜１０段の範囲内の位置から、前記凝縮−蒸発器（Ｂ）において液化空気の凝縮熱により気化した酸素ガスを導出する第５流路と、を備えた、酸素製造システム。
2. 前記気化した酸素ガスが液化される酸素液化部（Ｄ）と、
   前記第１流路から分岐した、前記液体の少なくとも一部を前記酸素液化部（Ｄ）に寒冷源として導入するための第６流路と、
   前記酸素液化部（Ｄ）の内部に配設され、前記気化した酸素ガスが前記第５流路を介して導入される酸素凝縮器（Ｅ）と、
   前記酸素凝縮器（Ｅ）内において生成した液体酸素を導出するための第７流路と、
   を備えた請求項１に記載の酸素製造システム。
3. 前記精留塔（Ｃ）上段から廃ガスが導出される第８流路と、
   前記酸素液化部（Ｄ）上段からガス化した前記液体が導出される第９流路と、
   を備えた請求項２記載の酸素製造システム。
4. 前記第８流路と、前記第９流路とが合流することにより形成される第１０流路と、
   前記第１０流路を流れる前記廃ガス及び前記ガス化した前記液体の混合ガスが加熱される熱交換器（Ｇ）と、
   前記加熱された混合ガスが前記第１０流路を介して導入される第１加圧手段と、
   を備えた請求項３に記載の酸素製造システム。
5. 前記第１加圧手段により加圧された前記混合ガスを前記熱交換器（Ｇ）に導入する第１１流路と、
   前記熱交換器（Ｇ）内にて冷却された前記混合ガスを前記容器（Ａ）に導入する第１２流路と、
   を備えた請求項４に記載の酸素製造システム。
6. 前記第７流路を介して前記液体酸素が導入される第２加圧手段と、
   前記第２加圧手段により加圧された前記液体酸素を前記熱交換器（Ｇ）に導入する第１３流路と、
   前記熱交換器（Ｇ）内にて加熱され、ガス化された酸素を導出する第１５流路と、
   を備えた請求項４又は５に記載の酸素製造システム。
7. 冷却された加圧空気が導入される容器（Ａ）と、下部に凝縮−蒸発器（Ｂ）を有する精留塔（Ｃ）と、を備えている酸素製造装置を、窒素製造装置に組み合わせて用いる酸素製
   造方法であって、
   前記容器（Ａ）底部に貯液された液体を第１流路を介して導出する工程と、
   前記導出された液体の一部を、前記精留塔（Ｃ）上部に第２流路を介して導入する工程と、
   前記窒素製造装置から酸素リッチ液化空気の少なくとも一部を導出し、第３流路を介して前記精留塔（Ｃ）中間段に導入する工程と、
   第４流路を介して、前記液体の少なくとも一部を前記窒素製造装置に寒冷源として導入する工程と、
   前記精留塔（Ｃ）底部側からの理論段数が５〜１０段の範囲内の位置から、前記凝縮−蒸発器（Ｂ）において液化空気の凝縮熱により気化した酸素ガスを第５流路を介して導出する工程と、
   を有する酸素製造方法。
8. 前記酸素製造装置は、酸素液化部（Ｄ）と、酸素凝縮器（Ｅ）と、を備え、
   第６流路を介して前記液体の少なくとも一部を前記酸素液化部（Ｄ）に寒冷源として導入する工程と、
   前記気化した酸素ガスを、前記第５流路を介して前記酸素凝縮器（Ｅ）に導入する工程と、
   前記酸素凝縮器（Ｅ）内において生成した液体酸素を、第７流路を介して導出する工程と、
   を有する請求項７に記載の酸素製造方法。
9. 前記精留塔（Ｃ）上段から第８流路を介して廃ガスを導出する工程と、
   前記酸素液化部（Ｄ）上段から第９流路を介してガス化した前記液体を導出する工程と、
   を有する請求項８に記載の酸素製造方法。
10. 前記酸素製造装置は、熱交換器（Ｇ）と、第１加圧手段と、を備え、
    前記第８流路と、前記第９流路とを合流させる第１０流路を流れる前記廃ガス及び前記ガス化した前記液体の混合ガスを、前記熱交換器（Ｇ）において加熱する工程と、
    前記加熱された混合ガスを前記第１０流路を介して前記第１加圧手段に導入する工程と、
    を有する請求項９に記載の酸素製造方法。
11. 前記第１加圧手段により加圧された前記混合ガスを、第１１流路を介して前記熱交換器（Ｇ）に導入し、前記熱交換器（Ｇ）内にて冷却する工程と、
    前記冷却された混合ガスを、第１２流路を介して前記容器（Ａ）に導入する工程と、
    を有する請求項１０に記載の酸素製造方法。
12. 前記酸素製造装置は、第２加圧手段を備え、
    前記液体酸素を、前記第７流路を介して前記第２加圧手段に導入する工程と、
    前記第２加圧手段により加圧された前記液体酸素を、第１３流路を介して前記熱交換器（Ｇ）に導入する工程と、
    前記熱交換器（Ｇ）内にて加熱されガス化された酸素を、第１５流路を介して導出する工程と、
    を有する請求項１０又は１１に記載の酸素製造方法。

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