JP3244654U - 空気分離装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】需要ポイントの要望に応じて、製品窒素を増量可能な空気分離装置を提供する。【解決手段】空気分離装置Ａ１は、所定圧の原料空気を冷却するための主熱交換器１と、主熱交換器で冷却された原料空気が導入される第一精留塔２の精留部２２から送られる蒸気流を凝縮し、還流する少なくとも１つの凝縮器３と、第一精留塔の底部２１に貯留する酸素富化液が導入される精留部４２を有する第二精留塔４と、第二精留塔から導出される窒素富化ガスを主熱交換器で加温してから低圧窒素ガスとして取り出す低圧窒素ガス取出ラインＬ４３と、主熱交換器よりも下流の低圧窒素ガス取出ラインから分岐し主熱交換器を介して第一精留塔上部から凝縮器へ導入される配管に送られる低圧窒素ガスリサイクルラインＬ４３１と、低圧窒素ガスリサイクルラインに設けられ、低圧窒素ガスを所定の圧力に昇圧する低圧窒素ガス圧縮機１１とを備える。【選択図】図１

Description

本考案は、高圧の製品窒素と高圧の製品酸素を製造する空気分離装置に関する。
特許文献１は、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開示する。
特許文献２は、空気昇圧機及び液化酸素ポンプのいずれかが停止した場合でも連続運転が可能であり、製品酸素ガスを供給可能な空気分離装置を開示する。
特開２０２２－２９７８６号公報 特開２０２１－１６２２０２号公報
主熱交換器と、中圧精留塔と、窒素凝縮器と、低圧精留塔とを備える空気分離装置において、内部昇圧する液体窒素は中圧精留塔の塔頂部から抽出される。この為、液体窒素の量を原料空気に対し一定以上増やした場合に低圧精留塔に送る還流液が不足して酸素の製造能力が落ちる。したがって、原料空気に対して内部昇圧できる高圧窒素の比率に限界があった。
そこで、本開示は、酸素・窒素を内部昇圧方式で製造する空気分離装置において、窒素の製造量に関わらず、酸素の需要変動に合わせて原料空気を増・減量する事の出来るプロセスを提供する。
本開示の空気分離装置（Ａ１）は、
所定圧の原料空気を冷却するための主熱交換器（１）と、
前記主熱交換器（１）で冷却された原料空気が導入される、精留部（２２）または底部（２１）の気相部を有する第一精留塔（中圧精留塔：２）と、
前記第一精留塔（２）の上部気相部（２３）から送られる蒸気流を凝縮（冷却）し、上部気相部（２３）へ還流する少なくとも１つの凝縮器（３）と、
前記凝縮器（３）で冷却された液体窒素を前記主熱交換器（１）へ圧縮して送る液体窒素ポンプ（１０）が配置され、前記液体窒素を前記主熱交換器（１）で加温しガス化された製品窒素（ＨＰ ＧＡＮ）として取り出す製品窒素取出ライン（Ｌ２３）と、
前記底部（２１）に貯留する酸素富化液が（サブクーラ（ＳＣ）で熱交換させた後で）導入される精留部（４２）を有する、第二精留塔（低圧精留塔：４）と、
前記第二精留塔（４）の塔頂（４３）または前記精留部（４２）の上部気相部あるいは中間段から導出される窒素富化ガスを（サブクーラ（ＳＣ）で熱交換させた後で）前記主熱交換器（１）で加温してから低圧窒素ガス（ＬＰ ＧＡＮ）として取り出す低圧窒素ガス取出ライン（Ｌ４３）と、
前記主熱交換器（１）よりも下流の前記低圧窒素ガス取出ライン（Ｌ４３）から分岐し、前記主熱交換器（１）を介して、前記第一精留塔（２）上部から前記凝縮器（３）へ導入される配管に送られる低圧窒素リサイクルライン（Ｌ４３１）、または前記第一精留塔（２）の精留部（２２）の気相部に導入される低圧窒素ガスリサイクルライン（Ｌ４３１）と、
前記低圧窒素ガスリサイクルライン（Ｌ４３１）に設けられ、低圧窒素ガスを所定の圧力に昇圧する低圧窒素ガス圧縮機（１１）と、を備えていてもよい。
上記構成によれば、第二精留塔（４）で製造される低圧窒素を、低圧窒素ガス圧縮機（１１）で圧縮してリサイクルし主熱交換器（１）を介して凝縮器（３）に導入することで、第二精留塔（４）に送る還流液が不足することなく、原料空気に対して内部昇圧できる高圧窒素の比率を増加できる。
前記空気分離装置（Ａ１）は、
前記原料空気を、前記主熱交換器（１）を介して前記精留部（２２）および底部（２１）を有する第一精留塔（２）へ導入する原料空気配管ライン（Ｌ１）を備えていてもよい。
原料空気は、予め不純物、水分などが取り除かれていてもよい。
前記空気分離装置（Ａ１）は、不純物と水分を取り除くための精製装置（６ａ）と、精製装置（６ａ）で生成された精製空気の一部を圧縮する空気昇圧機（６ｂ）を備えていてもよい。
前記空気分離装置（Ａ１）は、
前記凝縮器（３）の冷媒相（３１）から液体酸素を前記主熱交換器（１）へ圧縮して送る液体酸素ポンプ（１０）が配置され、前記液体酸素を前記主熱交換器（１）で加温してガス化し製品酸素（ＨＰ ＧＯＸ）として取り出す製品酸素取出ライン（Ｌ３１）を備えていてもよい。
前記空気分離装置（Ａ１）は、
第一精留塔（２）の上部気相部（２３）から導出される窒素富化ガス（蒸気流）を、凝縮器（３）へ送り、上部気相部（２３）へ戻す凝縮配管ライン（Ｌ２３１）を備えていてもよい。
前記空気分離装置（Ａ１）は、
凝縮配管ライン（Ｌ２３１）から分岐し、凝縮器（３）で冷却された窒素富化ガスあるいは液体窒素を、（サブクーラ（ＳＣ）を介して）第二精留塔（４）の塔頂（４３）あるいは精留部（４２）へ導入するための分岐配管ライン（Ｌ２３１ａ）を備えていてもよい。
前記凝縮配管ライン（Ｌ２３１）の入口側と、前記低圧窒素ガスリサイクルライン（Ｌ４３１）とが接続されていてもよい。蒸気流に加え、低圧窒素ガスも凝縮器（３）へ送られてもよい。
前記凝縮配管ライン（Ｌ２３１）の出口側と前記製品窒素取出ライン（Ｌ２３）とが液収納部を介してあるいは直接に接続されていてもよい。凝縮器（３）で液化された液体窒素が製品窒素取出ライン（Ｌ２３）へ直接送られてもよい。
前記空気分離装置（Ａ１）は、
前記第一精留塔（２）の底部（２１）から導出される酸素富化液を（サブクーラ（ＳＣ）で熱交換させた後で）で前記精留部（４２）へ導入する酸素富化液ライン（Ｌ２１）を備えていてもよい。
前記空気分離装置（Ａ１）は、
前記原料空気を、前記主熱交換器（１）へ送る前に、所定圧に圧縮する原料空気圧縮機（６）を少なくとも１以上備えていてもよい。
別の開示の前記空気分離装置（Ａ２）は、
原料空気を圧縮するブースターエアコンプレッサー（６１）と、
前記ブースターエアコンプレッサー（６１）で圧縮された原料空気の一部をさらに圧縮するコンプレッサー（６２）と、
前記ブースターエアコンプレッサー（６１）で圧縮された原料空気の残部が前記主熱交換器（１）へ送られ、該主熱交換器（１）の中間部から導出された原料空気を膨張するタービンブースター（７）と、
前記タービンブースター（７）から導出された原料空気と、前記ブースターエアコンプレッサー（６１）へ送られる前の原料空気を前記主熱交換器（１）で冷却した後の原料空気と、がそれぞれ、前記第一精留塔（２）の前記底部（２１）の気相部または精留部（２２）の下方に導入する第一原料空気導入ライン（Ｌ１、Ｌ１１）を備えていてもよい。
前記タービンブースター（７）が前記コンプレッサー（６２）へ動力を提供する関係であってもよい。
前記空気分離装置（Ａ２）は、
前記コンプレッサー（６２）で圧縮された原料空気が前記主熱交換器（１）へ送られ、該主熱交換器（１）で冷却された液体原料空気の一部をガス化する第一膨張弁（Ｖ１）と、
前記コンプレッサー（６２）で圧縮された原料空気が前記主熱交換器（１）へ送られ、該主熱交換器（１）で冷却された液体原料空気の上記一部以外の残部をガス化する液体タービン（７１）と、
前記液体タービン（７１）でガス化した原料空気をさらに膨張する第二膨張弁（Ｖ２）と、
前記第一膨張弁（Ｖ１）を通過した原料空気と、前記第二膨張弁（Ｖ２）を通過した原料空気とが導入されるバッファ（ｂ）と、
前記バッファ（ｂ）から導出され、前記第一精留塔（２）の前記底部（２１）の気相部または精留部（２２）の下方へ原料空気を導入する第二原料空気導入ライン（Ｌ１１１ａ、Ｌ１１１ｂ）を備えていてもよい。
前記空気分離装置（Ａ１、Ａ２）は、
前記低圧窒素ガス圧縮機（１１）より下流側の前記低圧窒素ガスリサイクルライン（Ｌ４３１）から分岐し、中圧窒素ガス（ＭＰ ＧＡＮ）として取り出す中圧窒素ガス取出ライン（Ｌ４３２）を備えていてもよい。
前記空気分離装置（Ａ１、Ａ２）は、
流量測量器、圧力測定器、温度測定器、液レベル測定器などの各種計測器と、
制御弁、仕切弁などの各種弁と、
各要素間を連結する配管と、
を有していてもよい。
実施形態１の空気分離装置を示す図である。 実施形態２の空気分離装置を示す図である。 実施形態３の空気分離装置を示す図である。
以下に本開示のいくつかの実施形態について説明する。以下に説明する実施形態は、本開示の一例を説明するものである。本開示は以下の実施形態になんら限定されるものではなく、本開示の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形形態も含む。なお、以下で説明される構成の全てが本開示の必須の構成であるとは限らない。上流や下流はガス流の流れ方向を基準にしている。
（実施形態１）
図１を用いて、実施形態１の空気分離装置Ａ１を説明する。
空気分離装置Ａ１は、主熱交換器１と、第一精留塔２と、凝縮器３と、第二精留塔４と、サブクーラＳＣ、低圧窒素ガス圧縮機１１と、原料空気圧縮機６を備える。
原料空気配管ラインＬ１から送られる原料空気は、原料空気圧縮機６によって所定圧に昇圧される。なお、原料空気は所定の不純物、水分除去が事前に精製装置で行われている。
主熱交換器１において、原料空気圧縮機６で昇圧された原料空気が温端から導入され冷却し冷端から導出される。原料空気は、少なくとも一部が液化されてもよい。
また、主熱交換機１において、液体窒素、液体酸素、低圧窒素ガスが冷端から導入され加温され温端から導出される。
空気分離装置Ａ１は、不純物と水分を取り除くための精製装置６ａと、精製装置６ａで生成された精製空気の一部を圧縮する空気昇圧機６ｂを備えていてもよい。
本考案では、低圧窒素ガスの一部を取り出し、再び主熱交換器１を通過させて再び精留塔２へ戻す。詳細は後述する。
第一精留塔２は、底部２１、精留部２２、上部気相部２３を有する。
原料空気配管ラインＬ１は、原料空気を、主熱交換器１を介して中圧精留塔２の底部２１の気相あるいは精製部２２の下部へ導入する配管ラインである。
酸素富化液配管ラインＬ２１は、第一精留塔２の底部２１から導出される酸素富化液を、サブクーラＳＣを介して、第二精留塔４の精留部４２の中間段へ導入するための配管ラインである。
凝縮器３は、第一精留塔２の上部気相部２３から導出された窒素富化ガスを凝縮する。凝縮器３の冷媒相３１には、液体酸素が貯留されている。
凝縮配管ラインＬ２３１は、第一精留塔２の上部気相部２３から導出される窒素富化ガス（蒸気流）を、凝縮器３へ送り、上部気相部２３へ戻すための配管ラインである。凝縮配管ラインＬ２３１から分岐した分岐ラインＬ２３１ａは、凝縮器３で冷却された窒素富化ガスあるいは液体窒素（気液混合状態でもよい）を、サブクーラＳＣを介して、第二精留塔４の塔頂４３へ導入するための配管ラインである。
なお、分岐ラインＬ２３１ａに代替し、第一精留塔２の上部気相部２３から導出される窒素富化ガスを、サブクーラＳＣを介して、低圧精留塔４の塔頂４３へ導入する配管ラインを備えていてもよい。
製品窒素取出ラインＬ２３は、凝縮器３で冷却され液化した液体窒素を、主熱交換器１で加温してガス化し、製品窒素（ＨＰ ＧＡＮ）として取り出すための配管ラインである。
製品窒素取出ラインＬ２３に液体窒素ポンプ１０が配置される。液体窒素ポンプ１０によって液体窒素が主熱交換器１へ送られる。
製品酸素取出ラインＬ３１は、凝縮器３の冷媒相３１から液体酸素を、主熱交換器１で加温してガス化して、製品酸素（ＨＰ ＧＯＸ）として取り出すための配管ラインである。
製品酸素取出ラインＬ３１には、液体酸素ポンプ１０が配置される。液体酸素ポンプ１０によって液体酸素が主熱交換器１へ送られる。
第二精留塔４は、精留部４２、塔頂４３を有する。
低圧窒素ガス取出ラインＬ４３は、第二精留塔４の塔頂４３または精留部４２の上部気相部あるいは中間段から導出される窒素富化ガスをサブクーラＳＣで熱交換させた後で、主熱交換器１へ送り、加温してから低圧窒素ガス（ＬＰ ＧＡＮ）として取り出すための配管ラインである。
サブクーラＳＣは、第一精留塔２の底部２１から導出される酸素富化液と、凝縮器３で凝縮された液体窒素あるいは窒素富化ガス（または第一中圧精留塔２の上部気相部２３から導出された精製ガス）と、第二精留塔４の塔頂４３から導出される窒素富化ガスとを熱交換する。
低圧窒素ガスリサイクルラインＬ４３１は、主熱交換器１よりも下流の低圧窒素ガス取出ラインＬ４３から分岐するラインである。低圧窒素ガスリサイクルラインＬ４３１は、主熱交換器１を介して、低圧窒素ガスを第一精留塔２の上部気相部２３へ導入する、あるいは凝縮配管ラインＬ２３１の入口側と合流するための配管ラインである。
低圧窒素ガス圧縮機１１は、低圧窒素ガスリサイクルラインＬ４３１に設けられる。低圧窒素ガス圧縮機１１は、低圧窒素ガスを所定の圧力（例えば、第一精留塔２へ導入できる程度の圧力）に昇圧する。
この構成で、低圧窒素ガスを第一精留塔２へ戻すことができ、窒素製造量を増量することができる。
（実施形態２）
図２を用いて、実施形態２の空気分離装置Ａ２を説明する。
空気分離装置Ａ２は、実施形態１の空気分離装置Ａ１と異なる構成を中心に説明し、同じ構成は説明を省略あるいは簡単にする。同じ符号は同じ機能を有する。
空気分離装置Ａ２は、多段的な圧縮機とタービンを備える。
ブースターエアコンプレッサー６１は、第一原料空気導入ラインＬ１から分岐した原料空気分岐ラインＬ１１で送られる原料空気を圧縮する。第一原料空気導入ラインＬ１は、主熱交換器１を介して、第一精留塔２の底部２１の気相部へ原料空気を導入する配管ラインである。
コンプレッサー６２は、ブースターエアコンプレッサー６１で圧縮された一部の原料空気をさらに圧縮する。第一分岐ラインＬ１１１は、原料空気分岐ラインＬ１１から分岐し、ブースターエアコンプレッサー６１で圧縮された一部の原料空気をコンプレッサー６２へ送るための配管ラインである。コンプレッサー６２で圧縮された原料空気は、第一分岐ラインＬ１１１により、主熱交換器１で冷却され、一部が第一膨張弁Ｖ１へ送られ、その一部以外の残部は、第一分岐ラインＬ１１１から分岐した第二分岐ラインＬ１１１ａにより、液体タービン７１へ送られる。
第一膨張弁Ｖ１は、液化原料空気を膨張しガス化する。ガス化した原料空気はバッファーｂへ送られる。
液体タービン７１で、液化原料空気を使用する。その後に原料空気は、第二膨張弁Ｖ２で膨張され、バッファーｂへ送られる。
配管ラインＬ１１１ａと配管ラインＬ１１１ｂは、バッファーｂからそれぞれ導出されて、第一精留塔２の精留部２２の下方に原料空気を導入するための第二原料空気導入ラインを構成する。
タービンブースター７は、ブースターエアコンプレッサー６１で圧縮され、主熱交換器１で部分的に冷却された原料空気を膨張する。ブースターエアコンプレッサー６１で圧縮された原料空気は、原料空気分岐ラインＬ１１によって、主熱交換器１へ送られ、主熱交換器１の中間部から導出され、タービンブースター７へ送られる。タービンブースター７で膨張された原料空気は、原料空気分岐ラインＬ１１によって、第一原料空気導入ラインＬ１へ合流する。
実施形態２において、コンプレッサー６２の動力としてタービンブースター７の駆動力が使用される機構を有していてもよい。
（実施形態３）
図３を用いて、実施形態３の空気分離装置Ａ３を説明する。
空気分離装置Ａ３は、実施形態２の空気分離装置Ａ２と異なる構成を中心に説明し、同じ構成は説明を省略あるいは簡単にする。同じ符号は同じ機能を有する。
空気分離装置Ａ３は、中圧窒素ガス取出ラインＬ４３２を備える。
中圧窒素ガス取出ラインＬ４３２は、低圧窒素ガス圧縮機１１より下流側の低圧窒素ガスリサイクルラインＬ４３１から分岐する配管である。低圧窒素ガスが、低圧窒素ガス圧縮機１１で圧縮され、中圧窒素ガス（ＭＰ ＧＡＮ）として取り出すことがきる。
（別実施形態）
（１）特に明示していないが、各配管ラインに圧力調整装置、流量制御装置などが設置され、圧力調整または流量調整が行われていてもよい。
（２）特に明示していないが、各ラインに制御弁、仕切弁などが設置されていてもよい。
（３）特に明示していないが、各塔に圧力調整装置、温度測定装置などが設置され、圧力調整または温度調整が行われていてもよい。
図面の符号の説明
１ 主熱交換器
２ 第一精留塔（中圧精留塔）
３ 凝縮器
４ 第二精留塔（低圧精留塔）
６ 原料空気圧縮機
６１ ブースターエアコンプレッサー
６２ コンプレッサー
７ タービンブースター
７１ 液体タービン
１１ 低圧窒素ガス圧縮機
ＳＣ サブクーラ
Ｖ１ 第一膨張弁
Ｖ２ 第二膨張弁

Claims (9)

  1. 所定圧の原料空気を冷却するための主熱交換器（１）と、
    前記主熱交換器（１）で冷却された原料空気が導入される第一精留塔（２）と、
    前記第一精留塔（２）の精留部（２２）から送られる蒸気流を凝縮し、還流する少なくとも１つの凝縮器（３）と、
    前記第一精留塔（２）の底部（２１）に貯留する酸素富化液が導入される精留部（４２）を有する第二精留塔（４）と、
    前記第二精留塔（４）から導出される窒素富化ガスを前記主熱交換器（１）で加温してから低圧窒素ガスとして取り出す低圧窒素ガス取出ライン（Ｌ４３）と、
    前記主熱交換器（１）よりも下流の前記低圧窒素ガス取出ライン（Ｌ４３）から分岐し、前記主熱交換器（１）を介して、前記第一精留塔（２）上部から前記凝縮器（３）へ導入される配管に送られる低圧窒素リサイクルライン（Ｌ４３１）、または前記第一精留塔（２）の精留部（２２）の気相部に導入される低圧窒素ガスリサイクルライン（Ｌ４３１）と、
    前記低圧窒素ガスリサイクルライン（Ｌ４３１）に設けられ、低圧窒素ガスを所定の圧力に昇圧する低圧窒素ガス圧縮機（１１）と、を備える空気分離装置。
  2. 前記凝縮器（３）で冷却された液体窒素を前記主熱交換器（１）で加温してから製品窒素（ＨＰ ＧＡＮ）として取り出す製品窒素取出ライン（Ｌ２３）を備える請求項１に記載の空気分離装置。
  3. 前記凝縮器（３）の冷媒相（３１）から液体酸素を前記主熱交換器（１）で加温してから製品酸素（ＨＰ ＧＯＸ）として取り出す製品酸素取出ライン（Ｌ３１）を備える請求項１に記載の空気分離装置。
  4. 前記原料空気を、前記主熱交換器（１）を介して前記精留部（２２）および底部（２１）を有する第一精留塔（２）へ導入する原料空気配管ライン（Ｌ１）を備える請求項１に記載の空気分離装置。
  5. 前記第一精留塔（２）の上部気相部（２３）から導出される窒素富化ガスを、前記凝縮器（３）へ送り、上部気相部（２３）へ戻す凝縮配管ライン（Ｌ２３１）を備える請求項１に記載の空気分離装置。
  6. 前記原料空気を、前記主熱交換器（１）へ送る前に、所定圧に圧縮する原料空気圧縮機を少なくとも１以上備える請求項１に記載の空気分離装置。
  7. 原料空気を圧縮するブースターエアコンプレッサー（６１）と、
    前記ブースターエアコンプレッサー（６１）で圧縮された原料空気の一部をさらに圧縮するコンプレッサー（６２）と、
    前記ブースターエアコンプレッサー（６１）で圧縮された原料空気の残部が前記主熱交換器（１）へ送られ、該主熱交換器（１）の中間部から導出された原料空気を膨張するタービンブースター（７）と、
    前記タービンブースター（７）から導出された原料空気と、前記ブースターエアコンプレッサー（６１）へ送られる前の原料空気を前記主熱交換器（１）で冷却した後の原料空気と、がそれぞれ、前記第一精留塔（２）の前記底部（２１）または精留部（２２）に導入する第一原料空気導入ライン（Ｌ１、Ｌ１１）とを備える、
    請求項１に記載の空気分離装置。
  8. 前記コンプレッサー（６２）で圧縮された原料空気が前記主熱交換器（１）へ送られ、冷却された液体原料空気の一部をガス化する第一膨張弁（Ｖ１）と、
    前記コンプレッサー（６２）で圧縮された原料空気が前記主熱交換器（１）へ送られ、冷却された液体原料空気の一部以外の残部をガス化する液体タービン（７１）と、
    前記液体タービン（７１）でガス化した原料空気をさらに膨張する第二膨張弁（Ｖ２）と、
    前記第一膨張弁（Ｖ１）を通過した原料空気と、前記第二膨張弁（Ｖ２）を通過した原料空気とが導入されるバッファ（ｂ）と、
    前記バッファ（ｂ）から導出され、前記第一精留塔（２）の前記底部（２１）または精留部（２２）の下方に導入する第二原料空気導入ライン（Ｌ１１１ａ、Ｌ１１１ｂ）とを備える、
    請求項７に記載の空気分離装置。
  9. 前記低圧窒素ガス圧縮機（１１）より下流側の前記低圧窒素ガスリサイクルライン（Ｌ４３１）から分岐し、中圧窒素ガス（ＭＰ ＧＡＮ）として取り出す中圧窒素ガス取出ライン（Ｌ４３２）を備える、請求項１に記載の空気分離装置。
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