JP2022029786A - 空気分離装置、酸素および／または窒素の製造方法 - Google Patents

空気分離装置、酸素および／または窒素の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】原料空気ガスの組成が変動しても製造して得られる酸素および／または窒素の純度変動を抑制できる空気分離装置、および該空気分離装置を用いた酸素および／または窒素の製造方法を提供する。【解決手段】原料空気圧縮機１により圧縮した圧縮空気を少なくとも酸素と窒素に分離する精留塔４と、精留塔からの酸素回収路１２および／または窒素回収路１３と、空気供給路１１内におけるガスの組成を測定する組成計２１およびガスの流量を測定する流量計３１とを有し、組成計および流量計で測定されたデータに基づいて圧縮する空気ガスの流量を制御する手段、組成計および流量計で測定されたデータに基づいて酸素回収路における酸素の流量を制御する手段、および組成計および流量計で測定されたデータに基づいて窒素回収路における窒素の流量を制御する手段よりなる群から選ばれる少なくとも一つの手段を備える空気分離装置。【選択図】図１

Description

本発明は、原料空気ガスを分離して酸素および／または窒素を製造する空気分離装置；原料空気ガスを分離して酸素および／または窒素を製造する方法；に関する。
空気分離装置は、原料空気ガスを分離して酸素および／または窒素を製造できる装置であり、大気中の空気を原料空気ガスとして取り込み、原料空気圧縮機で圧縮した後、圧縮空気ガスに含まれる水や二酸化炭素などを吸着塔で除去してから主熱交換器および精留塔を用いて分離する。また、空気分離装置では、原料空気ガスに含まれるアルゴンを分離し、アルゴンを併せて製造することもある。こうした空気分離装置は、製鉄所、発電所、銅精錬、化学、電子産業などの分野における工場に設置されている。例えば、製鉄所や火力発電所では、窒素が保安用（防爆用）に使用されており、酸素は酸素濃度を上げることによって燃焼効率を向上させる酸素富化燃焼に使用されている。
大気中の空気の組成は、通常一定と考えられるが、例えば、特許文献１、２には、近隣や同じ敷地内に、製鉄、化学及び発電プラントなど大量にＣＯ2を放出する設備がある場合は、風向きなどにより空気中のＣＯ2が設計値を大幅に上回ることが指摘されている。
特開２０１４－１１３５９３号公報 特開２０１４－１１３５９４号公報
大規模な工場では、空気分離装置を複数台設置して運転していることが多く、他の空気分離装置から大気中に放出された酸素や窒素などが風向きによって原料空気ガスとして取り込まれることがあった。また、空気分離装置の設置台数が１台でも、製造した酸素や窒素が製品として消費されず、余剰ガスとして大気中に放出される場合や、前処理設備（例えば、吸着塔）の吸着剤の再生ガスが放出される場合には、これらのガスが風向きによって原料空気ガスとして取り込まれることがあった。余剰ガスとして放出された酸素や窒素が原料空気ガスとして取り込まれると、原料空気ガスの組成が大幅に変動することがあった。また、前処理設備（例えば、吸着塔）の吸着剤の再生ガスは、窒素リッチな場合が多いため、こうした再生ガスが原料空気ガスとして取り込まれると原料空気ガスの組成が大幅に変動することがあった。このように原料空気ガスの組成が大幅に変動すると、製品ガスの純度が変動することがあった。
こうした余剰ガスや再生ガスが原料空気ガスとして取り込まれないようにするには、空気分離装置の設計時であれば、原料空気ガスの吸い込み口を再生ガスや余剰ガス等の放出口から離した位置に設計したり、空気分離装置の配置やガスの放出方向を工夫できる可能性がある。しかし、設備の設置区画はあらかじめ決まっていることが多いため、空気分離装置の配置を設計する自由度は低く、原料空気ガスの吸い込み口に配管を接続し、再生ガスや余剰ガス等の放出口から遠ざけたり、放出口配管を延伸させたりして、配管・ラック等の余分な設備を追加して放出ガスを取り込まないようにして対処することが多い。
また、原料空気ガスの組成が変動することが予め分かっていれば、原料空気ガスの吸い込み口の設置位置を遠くにしたり、吸い込み口や放出口の方向を変更できるが、実際には、風向きを完全に把握することは困難であり、事前に原料空気ガスの組成が変動することは通常わからず、装置を試運転したり、実運転する段階になって、発覚することが多い。
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、原料空気ガスを分離して酸素および／または窒素を製造する空気分離装置であって、原料空気ガスの組成が変動しても製造して得られる酸素および／または窒素の純度変動を抑制できる空気分離装置、および該空気分離装置を用いた酸素および／または窒素の製造方法を提供することにある。
本発明の構成は以下のとおりである。
［１］ 原料空気ガスを分離して酸素および／または窒素を製造する空気分離装置であって、主熱交換器と、前記主熱交換器へ前記原料空気ガスを供給する空気供給路と、前記空気供給路に、前記原料空気ガスを圧縮する原料空気圧縮機と、前記原料空気圧縮機で圧縮された圧縮空気ガスから少なくとも水および二酸化炭素を除去する吸着塔と、該空気供給路内におけるガスの組成を測定する組成計と、および該空気供給路内におけるガスの流量を測定する流量計と、前記主熱交換器で熱交換された圧縮空気を少なくとも酸素と窒素に分離する高圧精留塔および低圧精留塔を有する精留塔と、前記低圧精留塔と前記主熱交換器とを接続する酸素回収路および／または前記低圧精留塔と前記主熱交換器とを接続する窒素回収路と、を有し、前記組成計および前記流量計で測定されたデータに基づいて前記原料空気圧縮機で圧縮する前記原料空気ガスの流量を制御する手段、前記組成計および前記流量計で測定されたデータに基づいて前記酸素回収路における酸素の流量を制御する手段、および前記組成計および前記流量計で測定されたデータに基づいて前記窒素回収路における窒素の流量を制御する手段よりなる群から選ばれる少なくとも一つの手段を備える空気分離装置。
［２］ 前記組成計は、酸素濃度計である［１］に記載の空気分離装置。
［３］ 前記空気分離装置にて製造した液体酸素を貯留する酸素貯槽と、前記酸素貯槽に貯留した液体酸素の蒸発ガスを前記空気供給路へ供給する酸素供給路と、を有する［１］または［２］に記載の空気分離装置。
［４］ 原料空気ガスを分離して酸素および／または窒素を製造する方法であって、主熱交換器と、前記主熱交換器へ前記原料空気ガスを供給する空気供給路と、前記空気供給路に、前記原料空気ガスを圧縮する原料空気圧縮機と、前記原料空気圧縮機で圧縮された圧縮空気ガスから少なくとも水および二酸化炭素を除去する吸着塔と、該空気供給路内におけるガスの組成を測定する組成計と、および該空気供給路内におけるガスの流量を測定する流量計と、前記主熱交換器で熱交換された圧縮空気を少なくとも酸素と窒素に分離する高圧精留塔および低圧精留塔を有する精留塔と、前記低圧精留塔と前記主熱交換器とを接続する酸素回収路および／または前記低圧精留塔と前記主熱交換器とを接続する窒素回収路と、を有する空気分離装置を用い、前記組成計および前記流量計で測定されたデータに基づき、前記原料空気圧縮機で圧縮する前記原料空気ガスの流量、前記酸素回収路における酸素の流量、および前記窒素回収路における窒素の流量よりなる群から選ばれる少なくとも一つの流量を制御する酸素および／または窒素の製造方法。
［５］ 前記組成計は、酸素濃度計である［４］に記載の製造方法。
［６］ 前記原料空気ガス中の酸素の物質量と酸素回収路から回収される酸素の物質量との比が一定となるように、前記組成計で測定されたデータに基づき、前記原料空気圧縮機で圧縮する原料空気ガスの流量の目標値、および／または前記酸素回収路における酸素の流量の目標値を設定し、前記原料空気圧縮機で圧縮する原料空気ガスの流量、および／または前記酸素回収路における酸素の流量を制御する［４］または［５］に記載の製造方法。
［７］ 前記原料空気ガス中の窒素の物質量と窒素回収路から回収される窒素の物質量との比が一定となるように、前記組成計で測定されたデータに基づき、前記原料空気圧縮機で圧縮する原料空気ガスの流量の目標値、および／または前記窒素回収路における窒素の流量の目標値を設定し、前記原料空気圧縮機で圧縮する原料空気ガスの流量、および／または前記窒素回収路における窒素の流量を制御する［４］または［５］に記載の製造方法。
本発明の空気分離装置は、主熱交換器へ原料空気ガスを供給する空気供給路の経路上に、該空気供給路内におけるガスの組成を測定する組成計と、該空気供給経路内におけるガスの流量を測定する流量計を設け、当該組成計および流量計で測定されたデータに基づいて原料空気圧縮機で圧縮する原料空気ガスの流量を制御する手段、酸素回収路における酸素の流量を制御する手段、および窒素回収路における窒素の流量を制御する手段よりなる群から選ばれる少なくとも一つの手段を備えているため、本発明の空気分離装置を用いれば、原料空気ガスの組成が変動しても製造して得られる酸素および／または窒素の純度変動を抑制できる。
図１は、本発明の実施の形態１に係る空気分離装置の具体的な構成を示す概略図である。 図２は、本発明の実施の形態２に係る空気分離装置の具体的な構成を示す概略図である。 図３は、本発明の実施の形態３に係る空気分離装置の具体的な構成を示す概略図である。 図４は、本発明の実施の形態４に係る空気分離装置の具体的な構成を示す概略図である。 図５は、本発明に係る空気分離装置の変更例を示す概略図である。
空気分離装置に設けられた吸着塔で少なくとも水および二酸化炭素を除去した後のガスの組成は、通常、理論値として、窒素を７８．１１体積％、酸素を２０．９６体積％、アルゴンを０．９３体積％含有していると考えて精留塔やアルゴン塔などの蒸留塔を設計している。従って原料空気ガスに含まれる酸素が多く、窒素が少ない場合は、空気分離装置の精留塔において酸素分が多くなるため窒素回収路から回収される窒素の純度が悪化してしまう。一方、原料空気ガスに含まれる酸素が少なく、窒素が多い場合は、酸素回収路から回収される酸素の純度が悪化してしまう。
そこで、本発明者らは、既存の空気分離装置に対して簡単に後付けでき、今後設計する空気分離装置に対しても大幅な設計変更をすることなく、原料空気ガスの組成が変動しても空気分離装置を安定に運転でき、酸素回収路から回収される酸素、および／または窒素回収路から回収される窒素の純度変動を抑制できる装置および方法を提供するために鋭意検討を重ね、本発明を完成した。以下、下記実施の形態に基づき本発明を具体的に説明するが、本発明は下記実施の形態によって制限を受けるものではなく、前記および後記の趣旨に適合する範囲で変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。なお、各図面において、便宜上、部材符号等を省略する場合があるが、かかる場合、明細書や他の図面を参照するものとする。また、図面における種々の寸法は、本発明の特徴を理解に資することを優先しているため、実際の寸法とは異なる場合がある。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る空気分離装置は、原料空気ガスを分離して酸素および／または窒素を製造する空気分離装置であって、主熱交換器と、前記主熱交換器へ前記原料空気ガスを供給する空気供給路と、を有し、前記空気供給路の経路上に、前記原料空気ガスを圧縮する原料空気圧縮機と、前記原料空気圧縮機で圧縮された圧縮空気ガスから少なくとも水および二酸化炭素を除去する吸着塔と、該空気供給路内におけるガスの組成を測定する組成計と、を有し、更に、該空気供給路内におけるガスの流量を測定する流量計と、前記主熱交換器で熱交換された圧縮空気を少なくとも酸素と窒素に分離する高圧精留塔および低圧精留塔を有する精留塔と、前記低圧精留塔と前記主熱交換器とを接続する酸素回収路および／または前記低圧精留塔と前記主熱交換器とを接続する窒素回収路と、を有し、前記組成計および前記流量計で測定されたデータに基づいて前記原料空気圧縮機で圧縮する前記原料空気ガスの流量を制御する手段、前記組成計および前記流量計で測定されたデータに基づいて前記酸素回収路における酸素の流量を制御する手段、および前記組成計および前記流量計で測定されたデータに基づいて前記窒素回収路における窒素の流量を制御する手段よりなる群から選ばれる少なくとも一つの手段を備えることを特徴とする。
以下、本発明の実施の形態１に係る空気分離装置について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る空気分離装置の具体的な構成を示す概略図であり、図１に示した空気分離装置は、原料空気圧縮機１、吸着塔２、主熱交換器３、および精留塔４を有している。精留塔４は、高圧精留塔４ａおよび低圧精留塔４ｂを有しており、高圧精留塔４ａには、主凝縮器５が備えられている。
主熱交換器３には、原料空気ガスを供給する空気供給路１１が接続されており、空気供給路１１には、原料空気圧縮機１と、該原料空気圧縮機１で圧縮された圧縮空気ガスから少なくとも水および二酸化炭素を除去する吸着塔２が備えられている。
主熱交換器３に接続されている空気供給路１１は、高圧精留塔４ａまで延伸しており、高圧精留塔４ａに接続されている。また、空気供給路１１は、主熱交換器３の内部で分岐し、空気供給路１１の分岐路１１ａは低圧精留塔４ｂに接続されている。空気供給路１１の分岐路１１ａには、タービン６が設けられている。
低圧精留塔４ｂと主熱交換器３は、酸素回収路１２で接続されており、酸素回収路１２は、主熱交換器３より下流側に延伸している。酸素回収路１２には、主熱交換器３より下流側に酸素流量調整弁４２が設けられており、該酸素流量調整弁４２と主熱交換器３との間に酸素流量計３２が備えられている。なお、酸素流量調整弁４２と酸素流量計３２は、主熱交換器３より下流側に設けられていればよく、酸素流量計３２と酸素流量調整弁４２を配置する順番は特に限定されず、例えば、酸素流量計３２と主熱交換器３との間に酸素流量調整弁４２を設けてもよい。
低圧精留塔４ｂと主熱交換器３は、窒素回収路１３で接続されており、窒素回収路１３は、主熱交換器３より下流側に延伸している。窒素回収路１３には、主熱交換器３より下流側に窒素流量調整弁４３が設けられており、該窒素流量調整弁４３と主熱交換器３との間に窒素流量計３３が備えられている。なお、窒素流量調整弁４３と窒素流量計３３は、主熱交換器３より下流側に設けられていればよく、窒素流量計３３と窒素流量調整弁４３を配置する順番は特に限定されず、例えば、窒素流量計３３と主熱交換器３との間に窒素流量調整弁４３を設けてもよい。
なお、図１では、酸素回収路１２および窒素回収路１３の両方を設けた形態を示したが、空気分離装置で酸素を製造する場合は、少なくとも酸素回収路１２を有していればよく、窒素回収路１３を有さなくてもよい。また、空気分離装置で窒素を製造する場合は、少なくとも窒素回収路１３を有していればよく、酸素回収路１２を有さなくてもよい。
次に、図１に示した空気分離装置を用いて原料空気ガスを分離し、酸素および／または窒素を製造する方法について説明する。
原料空気ガスは、原料空気圧縮機１で高圧精留に必要な圧力（例えば、３００～８００ｋＰａ）に昇圧圧縮される。原料空気圧縮機１で昇圧圧縮された原料空気ガスを、以下、圧縮空気ガスということがある。原料空気圧縮機１で圧縮された圧縮空気ガスは、吸着塔２で少なくとも水と二酸化炭素が除去され、空気供給路１１を通して主熱交換器３へ供給される。
図１では、吸着塔２として、吸着塔２ａと吸着塔２ｂの二塔設けており、吸着塔２ａ、２ｂには、圧縮空気ガスから少なくとも水および二酸化炭素を除去できる吸着剤が充填されている。吸着剤としては、例えば、活性アルミナやゼオライトなどが挙げられる。吸着塔２は、一方の吸着塔を使用している間に、他方の吸着塔を再生し、交互に切り替えることにより連続運転できる。なお、図１では、吸着塔２を二塔設けた構成例を示したが、吸着塔２の数は３つ以上でもよい。
主熱交換器３へ供給された圧縮空気ガスは、主熱交換器３で後述する酸素回収路１２から回収される酸素や窒素回収路１３から回収される窒素との間で熱交換され、冷却される。主熱交換器３で熱交換された圧縮空気の一部は、空気供給路１１を通して高圧精留塔４ａへ供給され、圧縮空気の一部は、空気供給路１１の分岐路１１ａを通して低圧精留塔４ｂへ供給される。高圧精留塔４ａおよび低圧精留塔４ｂでは、蒸留により圧縮空気が少なくとも酸素と窒素に分離される。
精留塔４で分離した酸素は、酸素回収路１２を通して主熱交換器３へ供給され、上述した圧縮空気ガスとの間で熱交換され、昇温されて酸素として回収される。精留塔４で分離した窒素は、窒素回収路１３を通して主熱交換器３へ供給され、上述した圧縮空気ガスとの間で熱交換され、昇温されて窒素として回収される。
本発明の実施の形態１に係る空気分離装置は、空気供給路１１に、該空気供給路１１内におけるガスの組成を測定する組成計２１と、該空気供給路１１内におけるガスの流量を測定する流量計３１と、を有している。組成計２１は、図１では、空気供給路１１における吸着塔２と主熱交換器３との間に設けられており、流量計３１は、図１では、組成計２１と吸着塔２との間に設けられている。空気供給路１１内におけるガスは、吸着塔２で水や二酸化炭素が除去されているため、吸着塔２の二次側に組成計２１を設けることによって、空気供給路１１内のガスに含まれる酸素や窒素の量をより正確に計測できる。また、原料空気圧縮機１の二次側は圧力が高いため、原料空気圧縮機１の二次側に組成計２１を設けることによって、組成計２１にガスを流すための圧力を確保しやすくなる。また、吸着塔２の二次側に組成計２１を設けたうえで、吸着塔２の二次側に流量計３１を設けることによって、主熱交換器３へ供給される圧縮空気に含まれる酸素の量および／または窒素の量をより正確に測定できる。
また、図１では、組成計２１および流量計３１で測定されたデータを入力し、演算する演算部７が設けられており、演算部７で得られた結果に基づいて原料空気圧縮機１で圧縮する原料空気ガスの流量を制御している。具体的には、酸素回収路１２における酸素の純度を安定化させたい場合に、空気供給路１１内におけるガスに含まれる酸素量が減少したことが検知されたときには、原料空気圧縮機１に取り込む原料空気ガスの流量を増大させればよい。逆に、空気供給路１１内におけるガスに含まれる酸素量が増加したことが検知されたときには、原料空気圧縮機１に取り込む原料空気ガスの流量を減少させればよい。窒素回収路１３における窒素の純度を安定化させたい場合に、空気供給路１１内におけるガスに含まれる窒素量が減少したことが検知されたときには、原料空気圧縮機１に取り込む原料空気ガスの流量を増大させればよい。逆に、空気供給路１１内におけるガスに含まれる窒素量が増加したことが検知されたときには、原料空気圧縮機１に取り込む原料空気ガスの流量を減少させればよい。
上記のとおり、組成計２１および流量計３１で測定されたデータに基づいて原料空気圧縮機１で圧縮する原料空気ガスの流量を制御することによって、原料空気ガスの組成が変動しても製造して得られる酸素および／または窒素の純度変動を抑えることができる。また、本発明によれば、放出された酸素や窒素が原料空気ガスとして原料空気圧縮機に取り込まれないように、酸素や窒素の放出口と、原料空気ガスの取り込み口を離すなどの配置制約が不要となるため、敷地が狭くても空気分離装置を建設できる。また、酸素や窒素の放出口を離すために設けていたラックや配管が不要となるため、初期費用を削減できる。また、組成計および流量計であれば、既存の空気分離装置に対しても簡単に後付けできる。
演算部７における演算は、例えば、酸素回収路１２における酸素純度を一定にする場合、下記式に基づいて行なうことが好ましい。これにより、原料空気ガス中の酸素量が常に一定になるように制御できる。
演算設定値（原料空気量）＝定格原料空気量＋定格原料空気量×（２０．９６－空気中酸素濃度）÷１００×（１００÷空気中酸素濃度）
なお、上記計算式中の定数２０．９６は、設計時に想定した空気中の酸素濃度を意味している。
組成計２１としては、例えば、酸素濃度計を備えることが好ましい。原料空気ガス中の酸素濃度が低くなった場合は、原料空気圧縮機で圧縮する原料空気ガスを増量して酸素の不足分を補えばよい。一方、原料空気ガス中の酸素濃度が高くなった場合は、原料空気圧縮機で圧縮する原料空気ガスを減量して酸素の余剰分を削減し、精留塔におけるバランスを回復させればよい。これにより、精留塔における物質収支のバランスを保つことができるため、空気分離装置の安定運転が可能となる。
なお、窒素回収路１３における窒素純度を一定にしたい場合は、原料空気ガス中の酸素濃度を、酸素濃度計を用いて測定し、計算により原料空気ガス中の窒素濃度を算出すればよい。これにより、原料空気ガス量や窒素回収路１３から回収される窒素量を制御できるため、窒素回収路１３から回収される窒素の純度を安定させることもできる。
酸素濃度計としては、例えば、ジルコニア式の酸素分析計を設置することが好ましい。
演算部７における他の演算方法としては、原料空気ガス中の酸素濃度にしきい値を設け、そのしきい値を超えるたびに原料空気圧縮機で圧縮する原料空気ガスの流量制御の設定値を変更する方法がある。具体的には、空気分離装置の処理スペックが、例えば、空気量が１００，０００Ｎｍ3／ｈ程度の場合は、酸素濃度計が規定値以下（例えば、２０．５％以下）となれば、原料空気流量制御の設定値を＋α（ＳＶ＝ＳＶ＋αＮｍ3／ｈ）とすればよい。一方、酸素濃度計が規定値以上（例えば、２１．５％以上）となれば、原料空気流量制御の設定値を－α（ＳＶ＝ＳＶ－αＮｍ3／ｈ）とすればよい。なお、αの値は実際に運転した実績に基づいて調整すればよい。
組成計２１は、主熱交換器３の上流側であればどこに設置してもかまわない。図１のように吸着塔２の出口付近に設けてもよい。即ち、吸着塔２の出口付近には、通常、吸着塔２に備えられた吸着剤の破過を検知するために二酸化炭素分析計や水分分析計が設けられているため、この分析計のラインに組成計２１を接続すればよい。
流量計３１についても、主熱交換器３の上流側であればどこに設置してもかまわない。図１では、演算部７を設けた構成例を示したが、演算部７を設けず、例えば、原料空気圧縮機１に原料空気ガスの流量を制御する手段を設けておき、組成計２１および流量計３１で測定されたデータに基づいて原料空気圧縮機１で圧縮する原料空気ガスの流量を制御してもよい。
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る空気分離装置について図２を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態２に係る空気分離装置の具体的な構成を示す概略図であり、他の図面と同じ箇所には、同一の符号を付すことにより重複説明を避ける。
図２では、図１に示した構成例に対し、空気供給路１１に設ける組成計２１と流量計３１の配置位置を変更している。即ち、図２では、組成計２１を原料空気圧縮機１の上流側（一次側）に配置し、流量計３１を原料空気圧縮機１と吸着塔２との間に配置している。このように組成計２１を原料空気圧縮機１の一次側に配置することによって、原料空気圧縮機１の動力に影響を与える大気中の水分や、大気中の不純物（例えば二酸化炭素、亜酸化窒素、炭化水素など）を同じサンプルラインから測定できる。また、原料空気圧縮機１として遠心式圧縮機を用いる場合、サージング防止のための流量計を原料空気圧縮機１の二次側に設置することにより、流量計を兼用できる。
図２では、流量計３１で測定されたデータに基づいて原料空気圧縮機１で圧縮する原料空気ガスの流量を制御している。
また、図２では、組成計２１および流量計３１で測定されたデータを演算部７に入力し、演算部７で得られた結果を酸素流量計３２に入力し、酸素流量調整弁４２を制御して酸素回収路１２における酸素の流量を制御している。具体的には、空気供給路１１内におけるガスに含まれる酸素量が減少したことが検知された場合には、酸素流量調整弁４２を絞って酸素回収路１２における酸素の流量を減少させればよい。一方、空気供給路１１内におけるガスに含まれる酸素量が増加したことが検知された場合には、酸素流量調整弁４２を増開して酸素回収路１２における酸素の流量を増大させればよい。組成計２１および流量計３１で測定されたデータに基づいて酸素回収路１２における酸素の流量を制御することによって、原料空気ガスの組成が変動しても製造して得られる酸素の純度変動を抑えることができる。
図２では、演算部７を設けた構成例を示したが、演算部７を設けず、例えば、酸素流量調整弁４２に酸素の流量を制御する手段を設けておき、組成計２１および流量計３１で測定されたデータに基づいて酸素流量調整弁４２を制御して酸素回収路１２における酸素の流量を調整してもよい。
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３に係る空気分離装置について図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態３に係る空気分離装置の具体的な構成を示す概略図であり、他の図面と同じ箇所には、同一の符号を付すことにより重複説明を避ける。
図３では、図１に示した構成例に対し、空気供給路１１に設ける組成計２１と流量計３１の配置位置を変更している。即ち、図３では、組成計２１を原料空気圧縮機１と吸着塔２の間に配置し、流量計３１を吸着塔２と主熱交換器３との間に配置している。このように組成計２１を原料空気圧縮機１の二次側に配置することによって、大気中の不純物（例えば、二酸化炭素、亜酸化窒素、炭化水素など）を検出することもでき、また、原料空気圧縮機１の二次側の圧力の高い空気が測定対象となるのでサンプルガスを取得しやすくなる。また、流量計３１を吸着塔２の二次側に配置することによって、吸着塔２により水分等が除去されているため流量をより正確に測定できる。
図３では、流量計３１で測定されたデータに基づいて原料空気圧縮機１で圧縮する原料空気ガスの流量を制御している。
また、図３では、組成計２１および流量計３１で測定されたデータを演算部７に入力し、演算部７で得られた結果を酸素流量計３２または窒素流量計３３に入力し、酸素流量調整弁４２または窒素流量調整弁４３を制御して酸素回収路１２における酸素の流量または窒素回収路１３における窒素の流量を制御している。具体的には、空気供給路１１内におけるガスに含まれる酸素量または窒素量が減少したことが検知された場合には、酸素流量調整弁４２または窒素流量調整弁４３を絞って酸素回収路１２における酸素の流量または窒素回収路１３における窒素の流量を減少させればよい。一方、空気供給路１１内におけるガスに含まれる酸素量または窒素量が増加したことが検知された場合には、酸素流量調整弁４２または窒素流量調整弁４３を増開して酸素回収路１２における酸素の流量または窒素回収路１３における窒素の流量を増大させればよい。組成計２１および流量計３１で測定されたデータに基づいて酸素回収路１２における酸素の流量または窒素回収路１３における窒素の流量を制御することによって、原料空気ガスの組成が変動しても製造して得られる酸素または窒素の純度変動を抑えることができる。
なお、図３に示した構成例では、演算部７で得られた結果を酸素流量計３２または窒素流量計３３に入力した場合について説明したが、演算部７で得られた結果を酸素流量計３２および窒素流量計３３の両方に入力し、酸素流量調整弁４２および窒素流量調整弁４３の両方を制御して酸素回収路１２における酸素の流量および窒素回収路１３における窒素の流量を制御してもよい。
図３では、演算部７を設けた構成例を示したが、演算部７を設けず、例えば、酸素流量調整弁４２に酸素の流量を制御する手段を設け、組成計２１および流量計３１で測定されたデータに基づいて酸素流量調整弁４２を制御して酸素回収路１２における酸素の流量を調整してもよいし、窒素流量調整弁４３に窒素の流量を制御する手段を設け、組成計２１および流量計３１で測定されたデータに基づいて窒素流量調整弁４３を制御して窒素回収路１３における窒素の流量を調整してもよい。また、酸素流量調整弁４２に酸素の流量を制御する手段を設け、窒素流量調整弁４３に窒素の流量を制御する手段を設けてそれぞれを制御してもよい。
なお、図３においても、図１（実施の形態１）と同様、酸素回収路１２における酸素の純度や窒素回収路１３における窒素の純度を安定させるために、原料空気圧縮機１で圧縮する原料空気ガスの流量を制御してもよい。具体的には、図３において、演算部７から流量計３１に向かう点線矢印によって、原料空気ガスの流量を制御することができる。例えば、原料空気ガス中の酸素濃度が減少すれば、原料空気ガスの流量制御の目標値を増加させ、原料空気ガス中の酸素濃度が増加すれば、原料空気ガスの流量制御の目標値を減少させればよい。原料空気ガスの流量を制御して酸素回収路１２における酸素の純度や窒素回収路１３における窒素の純度を安定化する場合、酸素流量制御または窒素流量制御の目標値は演算部７の結果により変更せず、一定値としてもよい。
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４に係る空気分離装置について図４を用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態４に係る空気分離装置の具体的な構成を示す概略図であり、他の図面と同じ箇所には、同一の符号を付すことにより重複説明を避ける。
図４に示した空気分離装置は、図１に示した空気分離装置に対し、組成計２１および流量計３１で測定されたデータを演算部７に入力し、演算部７で得られた結果を酸素流量計３２または窒素流量計３３に入力し、酸素流量調整弁４２または窒素流量調整弁４３を制御して酸素回収路１２における酸素の流量または窒素回収路１３における窒素の流量を制御している点で相違している。図４に示した空気分離装置では、具体的には、空気供給路１１内におけるガスに含まれる酸素量または窒素量が減少したことが検知された場合には、酸素流量調整弁４２または窒素流量調整弁４３を絞って酸素回収路１２における酸素の流量または窒素回収路１３における窒素の流量を減少させればよい。一方、空気供給路１１内におけるガスに含まれる酸素量または窒素量が増加したことが検知された場合には、酸素流量調整弁４２または窒素流量調整弁４３を増開して酸素回収路１２における酸素の流量または窒素回収路１３における窒素の流量を増大させればよい。組成計２１および流量計３１で測定されたデータに基づいて酸素回収路１２における酸素の流量または窒素回収路１３における窒素の流量を制御することによって、原料空気ガスの組成が変動しても製造して得られる酸素または窒素の純度変動を抑えることができる。
なお、図４に示した構成例では、演算部７で得られた結果を酸素流量計３２または窒素流量計３３に入力した場合について説明したが、演算部７で得られた結果を酸素流量計３２および窒素流量計３３の両方に入力し、酸素流量調整弁４２および窒素流量調整弁４３の両方を制御して酸素回収路１２における酸素の流量および窒素回収路１３における窒素の流量を制御してもよい。
図４では、図１に示した構成例に対し、空気分離装置にて製造した液体酸素を貯留する酸素貯槽８と、酸素貯槽８に貯留した液体酸素の蒸発ガスを原料空気圧縮機１へ供給する酸素供給路１４と、が備えられている。なお、図４では、空気分離装置にて製造した液体酸素を酸素貯槽８へ供給する経路は図示していない。
酸素貯槽８には、例えば、精留塔４で余剰となった液体酸素を貯留すればよく、酸素貯槽８に貯留した液体酸素の蒸発ガスを原料空気圧縮機１へ供給することによって、酸素回収路１２から回収される酸素量を増加させることができるため、原単位を削減できる。即ち、酸素貯槽８には熱侵入があるため、酸素貯槽８に貯留された酸素が蒸発する。従来は、蒸発したガスは大気中に放出されていたが、この蒸発したガスを、酸素供給路１４を通して原料空気圧縮機１へ供給することによって、酸素回収路１２から回収される酸素量を増大させることができるため、原単位を削減できる。あるいは、原料空気ガス量を減らすことができるため、省エネ化を実現できる。
なお、図４には、空気分離装置にて製造した液体酸素を貯留する酸素貯槽８を設けた構成例を示したが、酸素貯槽８の代わりに窒素貯槽やアルゴン貯槽を設けたり、酸素貯槽８、窒素貯槽、およびアルゴン貯槽より任意に選ばれる２つあるいは全てを設けてもよい。また、充填場におけるローリーの放出ガス、配管予冷のための放出ガス、低温ポンプ予冷のための放出ガスを原料空気圧縮機１の空気吸い込み口に取り込んでも同様の効果が得られる。
図４では、演算部７を設けた構成例を示したが、演算部７を設けず、例えば、酸素流量調整弁４２に酸素の流量を制御する手段を設け、窒素流量調整弁４３に窒素の流量を制御する手段を設けておき、組成計２１および流量計３１で測定されたデータに基づいて酸素流量調整弁４２および窒素流量調整弁４３を制御して酸素回収路１２における酸素の流量および窒素回収路１３における窒素の流量を調整してもよい。
なお、図４においても、図１（実施の形態１）と同様、酸素回収路１２における酸素の純度や窒素回収路１３における窒素の純度を安定させるために、原料空気圧縮機１で圧縮する原料空気ガスの流量を制御してもよい。具体的には、図４において、演算部７から流量計３１に向かう点線矢印によって、原料空気ガスの流量を制御することができる。例えば、原料空気ガス中の酸素濃度が減少すれば、原料空気ガスの流量制御の目標値を増加させ、原料空気ガス中の酸素濃度が増加すれば、原料空気ガスの流量制御の目標値を減少させればよい。原料空気ガスの流量を制御して酸素回収路１２における酸素の純度や窒素回収路１３における窒素の純度を安定化する場合、酸素流量制御または窒素流量制御の目標値は演算部７の結果により変更せず、一定値としてもよい。
（変更例）
次に、本発明に係る空気分離装置の変更例について図５を用いて説明する。図５は、酸素および／または窒素に加えて、アルゴンを製造する構成を示している。図５は、本発明に係る空気分離装置の具体的な構成を示す概略図であり、他の図面と同じ箇所には、同一の符号を付すことにより重複説明を避ける。
図５では、図１に示した構成例に対し、低圧精留塔４ｂから供給される酸素リッチガスからアルゴンを分離するアルゴン塔９と、アルゴン塔９と低圧精留塔４ｂとを接続する経路１５ａ、１５ｂと、アルゴン塔９と主熱交換器３とを接続するアルゴン回収路１６と、を設けている。アルゴン塔９と低圧精留塔４ｂとを接続する経路のうち、１５ａは低圧精留塔４ｂから取り出した酸素リッチガスをアルゴン塔９へ供給する経路、１５ｂはアルゴン塔９から取り出した液体酸素を低圧精留塔４ｂへ返送する経路、をそれぞれ示している。また、アルゴン塔９には、凝縮器９ａが設けられている。
図５では、アルゴン塔の頂部からアルゴンをガス状態で抜いているが、アルゴン塔の頂部からアルゴンを液状態で抜き、主熱交換器３で蒸発させて常温とし、アルゴンを製造してもよい。
アルゴン回収路１６には、主熱交換器３より下流側にアルゴン流量調整弁４６と、該アルゴン流量調整弁４６と主熱交換器３との間にアルゴン流量計３６が備えられている。なお、アルゴン流量調整弁４６とアルゴン流量計３６は、主熱交換器３より下流側に設けられていればよく、例えば、アルゴン流量計３６と主熱交換器３との間にアルゴン流量調整弁４６を設けてもよい。
図５では、流量計３１で測定されたデータに基づいて原料空気圧縮機１で圧縮する原料空気ガスの流量を制御している。
また、図５では、組成計２１および流量計３１で測定されたデータを演算部７に入力し、演算部７で得られた結果に基づいて酸素流量調整弁４２または窒素流量調整弁４３を制御して酸素回収路１２における酸素の流量または窒素回収路１３における窒素の流量を制御している。具体的には、空気供給路１１内におけるガスに含まれる酸素量または窒素量が減少したことが検知された場合には、酸素流量調整弁４２または窒素流量調整弁４３を絞って酸素回収路１２における酸素の流量または窒素回収路１３における窒素の流量を減少させればよい。一方、空気供給路１１内におけるガスに含まれる酸素量または窒素量が増加したことが検知された場合には、酸素流量調整弁４２または窒素流量調整弁４３を増開して酸素の流量または窒素の流量を増大させればよい。組成計２１および流量計３１で測定されたデータに基づいて酸素回収路１２における酸素の流量または窒素回収路１３における窒素の流量を制御することによって、原料空気ガスの組成が変動しても製造して得られる酸素または窒素の純度変動を抑えることができる。
なお、図５に示した構成例では、演算部７で得られた結果に基づいて酸素流量調整弁４２または窒素流量調整弁４３を制御した例について説明したが、演算部７で得られた結果を酸素流量計３２または窒素流量計３３に加えてアルゴン流量計３６にも入力し、入力データに基づいて酸素流量調整弁４２または窒素流量調整弁４３に加えてアルゴン流量調整弁４６を制御し、酸素回収路１２における酸素の流量または窒素回収路１３における窒素の流量に加えてアルゴン回収路１６におけるアルゴンの流量を制御してもよい。
高純度のアルゴンを製造する際には、主熱交換器３から出てきたアルゴンを、アルゴン中の酸素を水素などの還元剤と反応させて除去する設備（アルゴン精製装置）に供給し、さらに熱交換器で冷却し、精製アルゴン塔に供給し、水素などの不純物を除去してアルゴンの純度を高くしてもよい。
図５では、図１に示した構成例に対し、空気分離装置にて製造した液体アルゴンを貯留するアルゴン貯槽１０と、アルゴン貯槽１０に貯留した液体アルゴンが蒸発したアルゴンガスを原料空気圧縮機１へ供給するアルゴン供給路１７と、が備えられている。なお、図５では、液体アルゴンをアルゴン貯槽１０へ供給する経路は図示していない。
アルゴン貯槽１０には、例えば、アルゴン塔９で分離、製造した液体アルゴンを貯留すればよく、アルゴン貯槽１０に貯留した液体アルゴンから発生する蒸発ガスを原料空気圧縮機１へ供給することによって、アルゴン回収路１６から回収されるアルゴン量を増加させることができるため、原単位を削減できる。
なお、図５には、アルゴン貯槽１０を設けた構成例を示したが、更に、空気分離装置にて製造した液体酸素を貯留する酸素貯槽８を設けたり、空気分離装置にて製造した液体窒素を貯留する窒素貯槽を設けてもよい。もちろん、アルゴン貯槽１０、酸素貯槽８、窒素貯槽を複数組み合わせて設けてもよい。
組成計２１としては、例えば、酸素濃度計を備えることが好ましい。さらに、アルゴン濃度計を設けてもよい。酸素濃度計を用いて原料空気ガス中の酸素濃度を測定すれば、計算により原料空気ガス中の窒素濃度を求めることができる。これにより原料空気ガス量や窒素回収路１３から回収される窒素量を制御できるため、窒素回収路１３から回収される窒素の純度を安定させることができる。図５では、演算部７を設けた構成例を示したが、演算部７を設けず、例えば、酸素流量調整弁４２に酸素の流量を制御する手段を設け、窒素流量調整弁４３に窒素の流量を制御する手段を設け、アルゴン流量調整弁４６にアルゴンの流量を制御する手段を設けておき、組成計２１および流量計３１で測定されたデータに基づいて酸素流量調整弁４２、窒素流量調整弁４３、およびアルゴン流量調整弁４６を制御して酸素回収路１２における酸素の流量、窒素回収路１３における窒素の流量、およびアルゴン回収路１６におけるアルゴンの流量を調整してもよい。
なお、図５においても、図１（実施の形態１）と同様、酸素回収路１２における酸素の純度や窒素回収路１３における窒素の純度を安定させるために、原料空気圧縮機１で圧縮する原料空気ガスの流量を制御してもよい。具体的には、図５において、演算部７から流量計３１に向かう点線矢印によって、原料空気ガスの流量を制御することができる。例えば、原料空気ガス中の酸素濃度が減少すれば、原料空気ガスの流量制御の目標値を増加させ、原料空気ガス中の酸素濃度が増加すれば、原料空気ガスの流量制御の目標値を減少させればよい。原料空気ガスの流量を制御して酸素回収路１２における酸素の純度や窒素回収路１３における窒素の純度を安定化する場合、酸素流量制御または窒素流量制御の目標値は演算部７の結果により変更せず、一定値としてもよい。
本発明の空気分離装置を用いて酸素および／または窒素を製造する場合は、原料空気圧縮機１で圧縮する原料空気ガス中の酸素濃度の基準値または窒素濃度の基準値を予め設定しておき、設定した基準値に対する変動幅が±１０％となるように原料空気圧縮機１で圧縮する原料空気ガスの流量を制御することが好ましい。設定した基準値に対する変動幅を±１０％とすることにより、酸素回収路１２から回収される酸素、または窒素回収路１３から回収される窒素の純度変動を抑制できる。
本発明の空気分離装置を用いて酸素を製造する場合は、原料空気ガス中の酸素の物質量と酸素回収路１２から回収される酸素の物質量との比が一定となるように、組成計２１で測定されたデータに基づき、原料空気圧縮機１で圧縮する原料空気ガスの流量の目標値、および／または酸素回収路１２における酸素の流量の目標値を設定し、原料空気圧縮機１で圧縮する原料空気ガスの流量、および／または酸素回収路１２における酸素の流量を制御することが好ましい。
本発明の空気分離装置を用いて窒素を製造する場合は、原料空気ガス中の窒素の物質量と窒素回収路１３から回収される窒素の物質量との比が一定となるように、組成計２１で測定されたデータに基づき、原料空気圧縮機１で圧縮する原料空気ガスの流量の目標値、および／または窒素回収路１３における窒素の流量の目標値を設定し、原料空気圧縮機１で圧縮する原料空気ガスの流量、および／または窒素回収路１３における窒素の流量を制御することが好ましい。
１ 原料空気圧縮機
２、２ａ、２ｂ 吸着塔
３ 主熱交換器
４ 精留塔
４ａ 高圧精留塔
４ｂ 低圧精留塔
５ 主凝縮器
６ タービン
７ 演算部
８ 酸素貯槽
９ アルゴン塔
９ａ 凝縮器
１０ アルゴン貯槽
１１ 空気供給路
１１ａ 分岐路
１２ 酸素回収路
１３ 窒素回収路
１４ 酸素供給路
１５ａ、１５ｂ アルゴン塔と低圧精留塔とを接続する経路
１６ アルゴン回収路
１７ アルゴン供給路
２１ 組成計
３１ 流量計
３２ 酸素流量計
３３ 窒素流量計
３６ アルゴン流量計
４２ 酸素流量調整弁
４３ 窒素流量調整弁
４６ アルゴン流量調整弁

Claims (7)

  1. 原料空気ガスを分離して酸素および／または窒素を製造する空気分離装置であって、
    主熱交換器と、
    前記主熱交換器へ前記原料空気ガスを供給する空気供給路と、
    前記空気供給路に、前記原料空気ガスを圧縮する原料空気圧縮機と、前記原料空気圧縮機で圧縮された圧縮空気ガスから少なくとも水および二酸化炭素を除去する吸着塔と、該空気供給路内におけるガスの組成を測定する組成計と、および該空気供給路内におけるガスの流量を測定する流量計と、
    前記主熱交換器で熱交換された圧縮空気を少なくとも酸素と窒素に分離する高圧精留塔および低圧精留塔を有する精留塔と、
    前記低圧精留塔と前記主熱交換器とを接続する酸素回収路および／または前記低圧精留塔と前記主熱交換器とを接続する窒素回収路と、を有し、
    前記組成計および前記流量計で測定されたデータに基づいて前記原料空気圧縮機で圧縮する前記原料空気ガスの流量を制御する手段、前記組成計および前記流量計で測定されたデータに基づいて前記酸素回収路における酸素の流量を制御する手段、および前記組成計および前記流量計で測定されたデータに基づいて前記窒素回収路における窒素の流量を制御する手段よりなる群から選ばれる少なくとも一つの手段を備えることを特徴とする空気分離装置。
  2. 前記組成計は、酸素濃度計である請求項１に記載の空気分離装置。
  3. 前記空気分離装置にて製造した液体酸素を貯留する酸素貯槽と、
    前記酸素貯槽に貯留した液体酸素の蒸発ガスを前記空気供給路へ供給する酸素供給路と、を有する請求項１または２に記載の空気分離装置。
  4. 原料空気ガスを分離して酸素および／または窒素を製造する方法であって、
    主熱交換器と、
    前記主熱交換器へ前記原料空気ガスを供給する空気供給路と、
    前記空気供給路に、前記原料空気ガスを圧縮する原料空気圧縮機と、前記原料空気圧縮機で圧縮された圧縮空気ガスから少なくとも水および二酸化炭素を除去する吸着塔と、該空気供給路内におけるガスの組成を測定する組成計と、および該空気供給路内におけるガスの流量を測定する流量計と、
    前記主熱交換器で熱交換された圧縮空気を少なくとも酸素と窒素に分離する高圧精留塔および低圧精留塔を有する精留塔と、
    前記低圧精留塔と前記主熱交換器とを接続する酸素回収路および／または前記低圧精留塔と前記主熱交換器とを接続する窒素回収路と、を有する空気分離装置を用い、
    前記組成計および前記流量計で測定されたデータに基づき、前記原料空気圧縮機で圧縮する前記原料空気ガスの流量、前記酸素回収路における酸素の流量、および前記窒素回収路における窒素の流量よりなる群から選ばれる少なくとも一つの流量を制御することを特徴とする酸素および／または窒素の製造方法。
  5. 前記組成計は、酸素濃度計である請求項４に記載の製造方法。
  6. 前記原料空気ガス中の酸素の物質量と酸素回収路から回収される酸素の物質量との比が一定となるように、
    前記組成計で測定されたデータに基づき、前記原料空気圧縮機で圧縮する原料空気ガスの流量の目標値、および／または前記酸素回収路における酸素の流量の目標値を設定し、
    前記原料空気圧縮機で圧縮する原料空気ガスの流量、および／または前記酸素回収路における酸素の流量を制御する請求項４または５に記載の製造方法。
  7. 前記原料空気ガス中の窒素の物質量と窒素回収路から回収される窒素の物質量との比が一定となるように、
    前記組成計で測定されたデータに基づき、前記原料空気圧縮機で圧縮する原料空気ガスの流量の目標値、および／または前記窒素回収路における窒素の流量の目標値を設定し、
    前記原料空気圧縮機で圧縮する原料空気ガスの流量、および／または前記窒素回収路における窒素の流量を制御する請求項４または５に記載の製造方法。
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