JP3539709B2 - Air separation equipment - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮動力を低減させ、かつ収率を増大させることのできる空気分離装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に、窒素ガス(GN2 )や酸素ガス(GO2 )は、空気を原料とし、これを空気圧縮機で圧縮したのち、吸着塔に入れて圧縮空気中の水(H2 O)および炭酸ガス(CO2 )を除去し、さらに熱交換器を通して冷媒と熱交換させて超低温に冷却し、ついで精留塔で深冷液化分離して製品ガスを製造し、これを前記の熱交換器を通して常温近くまで昇温させるという工程を経て製造されている。このような装置として、図2に示す空気分離装置がある。
【0003】
図2において、1は大気中の空気を取り込んで圧縮する空気圧縮機である。2は内部にモレキュラーシーブが充填された2個1組の吸着筒等の不純物除去手段であり、空気圧縮機1により圧縮された空気中の水および炭酸ガスを吸着除去する作用をする。なお、上記空気圧縮機1と吸着筒2の間には、ドレン分離器,フロン冷却器が設けられているが、図面ではこれを省略している。3は吸着筒2により水および炭酸ガスが吸着除去された圧縮空気を超低温に冷却する主熱交換器である。4は主熱交換器3により超低温に冷却された圧縮空気を高圧精留塔(第1精留塔)5の下部に気−液混相状態で送り込む供給パイプである。この供給パイプ4を通る圧縮空気の圧力は、例えば5kg/cm2 G程度である。高圧精留塔5の内部では、供給パイプ4から送り込まれた圧縮空気のうち、液体圧縮空気6が底部に溜まり、GN2 が上部に滞留する。7は(装置外から液体窒素が供給される)液体窒素貯槽(図示せず)からの液体窒素(LN2 )を高圧精留塔5の上部に導入する導入パイプである。この導入パイプ7から導入された微量の液体窒素と低圧精留塔(第2精留塔)10下部の凝縮器(コンデンサー)12で液化された液体窒素の一部とが高圧精留塔5内を下方に流下し、下方から上昇してくる気体圧縮空気と向流的に接触し気体圧縮空気の高沸点成分(主として酸素)を液化する。このため、底部に溜まる液体圧縮空気6は酸素リッチになり、低沸点成分(主として窒素)が気化して上部に滞留する。そして、高純度化された窒素ガスは、第1製品窒素ガス取出パイプ8により高圧精留塔5外に取り出されて主熱交換器3に送られ、この主熱交換器3を通過する圧縮空気を冷却するとともに、それ自身が常温に昇温され製品窒素ガスとして装置外に送り出される。10は低圧精留塔であり、高圧精留塔5の底部に溜まる液体圧縮空気6が膨脹弁11a付き送給パイプ11を経て送り込まれる。この低圧精留塔10は、高圧精留塔5に比べて非常に低圧で(例えば高圧精留塔5が5kg/cm2 G程度で、低圧精留塔10が0.2kg/cm2 G程度で)運転されている。この低圧精留塔10には、その底部に凝縮器12が設けられており、高圧精留塔5内から第1製品窒素ガス取出パイプ8内に取り出された窒素ガスの一部が第1還流用パイプ13を介して導入される。この窒素ガスは低圧精留塔10の底部に溜まる液体酸素(LO2 :純度99.7%程度)16を加温して液体酸素16を気化させる働きをし、それ自身は液体酸素16の冷熱によって液化し、その一部が流量調整弁14a付き第2還流用パイプ14を通って高圧精留塔5の上部に還流する。また、上記液体窒素の残部は、流量調整弁15a付き分岐パイプ15を通って低圧精留塔10の上部に導入され還流液となる。17は製品酸素ガス取出パイプであり、低圧精留塔10の底部に溜まる液体酸素16から気化した高純度の酸素ガスを取り出して主熱交換器3内に案内し、圧縮空気と熱交換させて常温にし製品酸素ガスとして装置外に送り出す作用をする。19は第2製品窒素ガス取出パイプであり、低圧精留塔10の上部に溜った窒素ガスを取り出して主熱交換器3に送り、圧縮空気を冷却するとともに、それ自身を常温に昇温させ製品窒素ガスとして装置外に送り出す作用をする。21は排出用パイプであり、低圧精留塔10の中央部に溜まる不純ガス分(排GN2 )を取り出して主熱交換器3内に案内し、圧縮空気を冷却したのち外部に放出する作用をする。図において、カッコ内に書かれた数字は、空気圧縮機1から吐出された圧縮空気の主熱交換器3通過量を100%としたときの、各パイプ8,17,19,21における概略通過量(%)を示している。
【0004】
この装置を用い、例えばつぎのようにして窒素ガスおよび酸素ガスを製造することができる。すなわち、まず空気圧縮機1により空気を圧縮し、ドレン分離器により圧縮された空気中の水分を除去し、フロン冷却器により冷却し、その状態で吸着筒2に送り込み、圧縮空気中の水および炭酸ガスを吸着除去する。ついで水および炭酸ガスが吸着除去された圧縮空気を主熱交換器3内に送り込んで超低温に冷却し、その状態で高圧精留塔5の下部に導入する。つぎにこの圧縮空気と、液体窒素貯槽から高圧精留塔5内に送り込まれた液体窒素および低圧精留塔10から還流する液体窒素とを向流接触させて圧縮空気を精留し、窒素と酸素の沸点の差(酸素の沸点−183℃,窒素の沸点−196℃)により、圧縮空気中の高沸点成分である酸素を液化させ、窒素を気体として滞留させる。この窒素ガスを第1製品窒素ガス取出パイプ8から取り出して主熱交換器3に送り込み常温近くまで昇温させたのち、製品窒素ガスとして装置外に送り出す。この場合、液体窒素貯槽から高圧精留塔5内に導入される液体窒素は、圧縮空気液化用の寒冷源として作用し、それ自身は気化して製品窒素ガスの一部として第1製品窒素ガス取出パイプ8から取り出される。また、低圧精留塔10の上部に溜まった窒素ガスを第2製品窒素ガス取出パイプ19から取り出して主熱交換器3に送り込み常温近くまで昇温させたのち、製品窒素ガスとして装置外に送り出す。他方、高圧精留塔5の底部に溜った液体圧縮空気6を送給パイプ11を経て低圧精留塔10に送り込み、窒素を気化除去した液体酸素16として低圧精留塔10の底部に溜め、低圧精留塔10底部の凝縮器12を通る窒素ガスと熱交換させて気化させる。この気化させた酸素ガスを製品酸素ガス取出パイプ17から取り出して主熱交換器3に送り込み常温近くまで昇温させたのち、製品酸素ガスとして装置外に送り出す。このようにして、高純度の窒素ガスと酸素ガスとが1台の装置により同時に得られる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の空気分離装置では、運転圧力が約5kg/cm2 G程度に設定された高圧精留塔5が下方に配置され、内部圧力が約0.2kg/cm2 G程度に設定された低圧精留塔10が上方に配置されている。このように、高圧精留塔5が低圧精留塔10に比べて非常に高圧に設定されているのは、高圧精留塔5の上部に滞留する窒素ガスを第1還流用パイプ13を介して低圧精留塔10の凝縮器12に送り込みここで液化させて還流させるため、および、高圧精留塔5の底部に溜まる液体圧縮空気6を送給パイプ11を介して低圧精留塔10に圧力差を利用して送り込むためである。したがって、上記の空気分離装置では、その最大の動力源である空気圧縮機1の圧縮動力が増大する。
【0006】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、圧縮動力を低下させ、かつ収率を増大させることのできる空気分離装置の提供をその目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の空気分離装置は、原料空気を圧縮する空気圧縮手段と、上記空気圧縮手段を経た圧縮空気を低温に冷却する主熱交換器と、上記主熱交換器により低温に冷却された圧縮空気を導入する第1精留塔と、上記第1精留塔から取り出された液体空気を導入する第2精留塔と、上記第2精留塔の下部に設けられた熱交換器と、上記第1精留塔から気体として窒素を取り出しこの窒素を上記主熱交換器を経由させることにより温度上昇させ製品窒素ガスとする製品窒素ガス取出パイプと、上記製品窒素ガス取出パイプを通る窒素ガスの一部を上記熱交換器に送るガスパイプと、上記ガスパイプに設けられ上記製品窒素ガス取出パイプを通る窒素ガスの一部を取り入れてこれを圧縮し上記熱交換器に送る窒素ガス圧縮手段と、上記熱交換器から延設され上記熱交換器内で生じた液化窒素を還流液として第1精留塔に戻す還流液パイプとを備え、上記第1精留塔と第2精留塔の相互の配設位置を、第1精留塔を上側に、第2精留塔をこの第1精留塔の下側に位置決めしたという構成をとる。
【0008】
すなわち、本発明の空気分離装置は、従来例では高圧精留塔として下側に配設されていた第1精留塔を上側に配設し、従来例では低圧精留塔として上側に配設されていた第2精留塔を下側に配設している。このものでは、第1精留塔と第2精留塔をパイプ等で連結し、このパイプ等を介して、第1精留塔から取り出した液体空気を自然落下により第2精留塔に導入することができる。また、製品窒素ガス取出パイプを通る窒素ガスの一部を、製品窒素ガス取出パイプから取り出して窒素ガス圧縮手段により第2精留塔の熱交換器に導入し、この熱交換器を通過する間に、第1精留塔から導入した液体空気の冷熱を利用して液化したのち、還流液として第1精留塔に戻すことができる。これら自然落下や窒素ガス圧縮手段を利用することにより、両精留塔の圧力差を無くし、両精留塔の圧力を従来例の低圧精留塔の圧力と同程度の低圧にすることができる。したがって、空気圧縮機の吐出圧力を低下させることができ、これに伴い、その圧縮動力を低下させることができる。また、第1精留塔の圧力が低下すると、第1精留塔内の温度が低下し、窒素(N2 )と酸素(O2 )の相対揮発度が大きくなる。このため、第1精留塔内で窒素と酸素が分離しやすくなる。
【0009】
また、本発明では、上記ガスパイプに、上記製品窒素ガス取出パイプを通る窒素ガスの一部を取り入れてこれを圧縮し上記熱交換器に送る窒素ガス圧縮手段を設けたため、この窒素ガス圧縮手段の圧縮動力が空気圧縮手段の圧縮動力に比べて大幅に小さいため、両圧縮手段の圧縮動力を合計しても、従来例の空気圧縮機の圧縮動力と比べて酸素製造原単位が約10%削減可能となる。特に、第2精留塔で得られる製品酸素ガスの純度が比較的低純度(93%程度)である場合には、窒素ガス圧縮手段の流量を少なくすることができ、動力削減の割合は大きくなる。
【0010】
また、本発明では、上記熱交換器から、この熱交換器内で生じた液化窒素を還流液として第1精留塔に戻す還流液パイプを延設したため、窒素ガス圧縮手段の吐出圧力を利用して、熱交換器内で生じた液化窒素を第1精留塔に戻すことができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
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。
【0012】
図1は本発明の空気分離装置の一実施の形態を示している。この実施の形態では、空気圧縮機1,2個1組の吸着塔2,主熱交換器3等は、図2に示す空気分離装置と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。ただし、この実施の形態では、従来例の高圧精留塔(第1精留塔)5が上部塔30として上側に配置され、従来例の低圧精留塔(第2精留塔)10が下部塔31として下側に配置されている。これら両塔30,31の内部圧力は、ともに0.2kg/cm2 G程度である。また、上部塔30の下部から下方に延びる流量調整弁32a付き液体空気供給パイプ32が下部塔31に連結している。この液体空気供給パイプ32は、上部塔30の底部に溜まる液体圧縮空気6を自然落下により下部塔31の上部に送り込む作用をする。一方、上部塔30の上部から延びる第1製品窒素ガス取出パイプ8のうち、主熱交換器3より下流側の部分から循環用ガスパイプ33が分岐している。このガスパイプ33は、下部塔31の底部の液体酸素16中に配設された熱交換器12に連結しており、主熱交換器3より上流側の部分に循環圧縮機(窒素ガス圧縮手段)34が設けられている。この循環圧縮機34は、第1製品窒素ガス取出パイプ8を通る製品窒素ガスの一部を取り入れて圧縮し、この圧縮窒素ガスを熱交換器12に送り込み、この熱交換器12で生じた還流液(液体窒素)を上部塔30に戻す作用をする。この圧縮窒素ガスは、下部塔31の底部の液体酸素(純度99.7%程度)16を加温して気化させる働きをし、それ自身は液体酸素16の冷熱によって液化し、流量調整弁35a付き還流液パイプ35を通って上部塔30の上部に還流する。この還流分は、導入パイプ7から導入される微量の液体窒素と同様、上部塔30内における圧縮空気の精留に用いられる。また、上記液体窒素の残部は、流量調整弁36a付き分岐パイプ36を通って下部塔31の上部に導入され酸素の精留に供される。図において、カッコ内に書かれた数字は、空気圧縮機1から吐出された圧縮空気の主熱交換器3通過量を100%としたときの、各パイプ8,17,19,21,33における概略通過量(%)を示している。
【0013】
この装置を用い、例えばつぎのようにして窒素ガスおよび酸素ガスを製造することができる。すなわち、まず空気圧縮機1により空気を0.7kg/cm2 G程度に圧縮し、ドレン分離器により圧縮された空気中の水分を除去し、フロン冷却器により冷却し、その状態で吸着筒2に送り込み、圧縮空気中の水および炭酸ガスを吸着除去する。勿論、吸着筒2の吸着剤の性能上、圧力が3kg/cm2 G程度必要な場合は、空気圧縮機1の吐出圧力を3kg/cm2 G程度に上げなければならない。ついで水および炭酸ガスが吸着除去された圧縮空気を主熱交換器3内に送り込んで超低温に冷却し、供給パイプ4を通して気−液混相状態で上部塔30の下部に導入する。この供給パイプ4を通る圧縮空気は、0.2kg/cm2 G程度の圧力である。つぎにこの圧縮空気と、導入パイプ7から上部塔30内に送り込まれた液体窒素および下部塔31内の熱交換器12から還流する液体窒素とを向流接触させて圧縮空気を精留し、窒素と酸素の沸点の差(酸素の沸点−183℃,窒素の沸点−196℃)により、圧縮空気中の高沸点成分である酸素を液化させ、窒素を気体として滞留させる。この窒素ガスを第1製品窒素ガス取出パイプ8から取り出して主熱交換器3に送り込み常温近くまで昇温させたのち、製品窒素ガスとして装置外に送り出す。この場合、液体窒素貯槽から上部塔30内に導入される液体窒素は、圧縮空気液化用の寒冷源として作用し、それ自身は気化して製品窒素ガスの一部として第1製品窒素ガス取出パイプ8から取り出される。一方、下部塔31には、その上部に、上部塔30の底部に溜まった液体圧縮空気6を液体空気供給パイプ32を介して自然落下により送り込む。また、第1製品窒素ガス取出パイプ8を通る製品窒素ガスの一部をガスパイプ33を通して循環圧縮機34に導入し、この循環圧縮機34で4.6kg/cm2 G程度に圧縮したのち再度主熱交換器3に通して超低温に(液化温度近くまで)冷却し、熱交換器12に送り込む。送り込まれた圧縮窒素ガスを熱交換器12で下部塔31の底部に溜まった液体酸素16と熱交換して略完全に液化したのち、液化窒素の一部を還流液パイプ35を通して上部塔30に送り込み、残部を分岐パイプ36を通して下部塔31に送り込む。そして、液体空気供給パイプ32から送り込まれる酸素リッチな液体圧縮空気6と分岐パイプ36から送り込まれる液体窒素とが還流液となり、下部塔31内を下方に流下する。また、下部塔31の底部に溜った液体酸素16は熱交換器12を通る圧縮窒素ガスと熱交換して気化し、下部塔31内を上昇し、還流液と向流接触して精留され、高純度の窒素ガスが上部に滞留する。そして、製品酸素ガス取出パイプ17から酸素ガスを取り出して主熱交換器3に送り込み常温近くまで昇温させたのち、製品酸素ガスとして装置外に送り出す。また、下部塔31の上部に滞留する窒素ガスを第2製品窒素ガス取出パイプ19から取り出して主熱交換器3に送り込み常温近くまで昇温させたのち、製品窒素ガスとして装置外に取り出す。このようにして、高純度の窒素ガスと酸素ガスとが1台の装置により同時に得られる。
【0014】
このように、上記実施の形態では、従来例の高圧精留塔5を上部塔30として上側に配設するとともに、従来例の低圧精留塔10を下部塔31として下側に配設しているため、上部塔30で製造される液体圧縮空気6を下部塔31に供給する場合に、自然落下でよい。また、循環圧縮機34を用い、第1製品窒素ガス取出パイプ8を通る製品窒素ガスの一部を熱交換器12に圧送し、還流液として上部塔30に戻している。したがって、上部塔30と下部塔31との間に圧力差が不要となり、両塔30,31を低圧にすることができる。このため、空気圧縮機1の圧縮動力を低下させることができ、この空気圧縮機1と循環圧縮機34の圧縮動力の合計を、従来例の空気圧縮機1の圧縮動力と比べて酸素製造原単位で約10%削減できる。一方、上部塔30の運転圧力が低下することで、上部塔30内の温度が低下して窒素と酸素の相対揮発度が大きくなり、分離しやすくなる。
【0015】
上記実施の形態において、空気圧縮機1と循環圧縮機34の圧縮動力を下記の式(1)により算出し、図2に示す空気分離装置の空気圧縮機1の圧縮動力と比較した。この算出にあたって、上記実施の形態における空気圧縮機1の圧縮動力は、Ps:1kg/cm2 abs,Pd:1.7kg/cm2 abs,Qs:104(ウェットベース)m3 /min,m:1段,κ:1.4(このκの値は、以下の場合も同じである)に設定して得られた値であり、循環圧縮機34の圧縮動力は、Ps:1.2kg/cm2 abs,Pd:5.6kg/cm2 abs,Qs:87m3 /min,m:3段に設定して得られた値である。また、図2に示す空気分離装置の空気圧縮機1の圧縮動力を算出するにあたっては、Ps:1kg/cm2 abs,Pd:6.8kg/cm2 abs,Qs:104(ウェットベース)m3 /min,m:4段に設定した。その結果、上記実施の形態では、空気圧縮機1の圧縮動力が97.3kwで、循環圧縮機34の圧縮動力が283kwであり、その合計が380.3kwであった。一方、図2に示す空気分離装置の空気圧縮機1の圧縮動力は349.1kwであった。このとき、製品酸素の製造量はそれぞれ19m3 /minと、16m3 /minであるため、酸素製造原単位は(380.3/19)/(349.1/16)=0.92となり、上記実施の形態の圧縮動力は従来例の圧縮動力の約92%に減少していることがわかる。
【0016】
【式1】
Lad=(1/0.612)・Ps・Qs・(mκ/κ−1)・{(Pd/Ps)k-1/mk−1}
Lad:理論断熱圧縮動力〔kw〕
Ps:吸込ガスの絶対圧力〔kg/cm2 a〕
Pd:吐出ガスの絶対圧力〔kg/cm2 a〕
Qs:吸込状態に換算したガス量〔m3 /min〕
m:圧縮段数〔段〕
κ:ガスの断熱指数〔Cp/Cv,0℃,1atm〕
【0017】
なお、上記実施の形態では、外部からの寒冷源としてLN2 を用いているが、これに限定するものではなく、LO2 等の極低温流体を用いていもよいし、膨張タービンを利用した空気分離装置にしてもよい。また、上記実施の形態では、製品ガスをすべてガスで取り出しているが、これに限定するものではなく、一部を液体で取り出してもよいし、酸素ガスのみを製造してもよい。
【0018】
【発明の効果】
以上のように、本発明の空気分離装置によれば、従来例では高圧精留塔として下側に配設されていた第1精留塔を上側に配設し、従来例では低圧精留塔として上側に配設されていた第2精留塔を下側に配設している。このため、第1精留塔と第2精留塔をパイプ等で連結し、このパイプ等を介して、第1精留塔から取り出した液体空気を自然落下により第2精留塔に導入することができる。また、製品窒素ガス取出パイプを通る窒素ガスの一部を、製品窒素ガス取出パイプから取り出して窒素ガス圧縮手段により第2精留塔の熱交換器に導入し、この熱交換器を通過する間に、第1精留塔から導入した液体空気の冷熱を利用して液化したのち、還流液として第1精留塔に戻すことができる。これら自然落下や窒素ガス圧縮手段を利用することにより両精留塔の圧力差を無くし、両精留塔の圧力を従来例の低圧精留塔の圧力と同程度の低圧にすることができる。したがって、空気圧縮機の吐出圧力を低下させることができ、これに伴い、その圧縮動力を低下させることができる。また、第1精留塔の圧力が低下すると、第1精留塔内の温度が低下し、窒素(N2 )と酸素(O2 )の相対揮発度が大きくなる。このため、第1精留塔内で窒素と酸素が分離しやすくなる。
【0019】
また、本発明では、上記ガスパイプに、上記製品窒素ガス取出パイプを通る窒素ガスの一部を取り入れてこれを圧縮し上記熱交換器に送る窒素ガス圧縮手段を設けたため、この窒素ガス圧縮手段の圧縮動力が空気圧縮手段の圧縮動力に比べて大幅に小さいため、両圧縮手段の圧縮動力を合計しても、従来例の空気圧縮機の圧縮動力と比べて酸素製造原単位で約10%削減可能となる。特に、第2精留塔で得られる製品酸素ガスの純度が比較的低純度(93%程度)である場合には、窒素ガス圧縮手段の流量を少なくすることができ、動力削減の割合は大きくなる。
【0020】
また、本発明では、上記熱交換器から、この熱交換器内で生じた液化窒素を還流液として第1精留塔に戻す還流液パイプを延設したため、窒素ガス圧縮手段の吐出圧力を利用して、熱交換器内で生じた液化窒素を第1精留塔に戻すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施の形態を示す空気分離装置の構成図である。
【図2】従来例を示す空気分離装置の構成図である。
【符号の説明】
1 空気圧縮機
3 主熱交換器
6 液体空気
8 第1製品窒素ガス取出パイプ
12 熱交換器
30 上部塔
31 下部塔
34 循環圧縮機
35 還流液パイプ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an air separation device capable of reducing compression power and increasing yield.
[0002]
[Prior art]
In general, nitrogen gas (GN 2 ) and oxygen gas (GO 2 ) are obtained by using air as a raw material, compressing the raw material with an air compressor, and then putting the compressed air into an adsorption tower to supply water (H 2 O) and carbon dioxide gas in the compressed air. (CO 2 ) is removed, and further heat-exchanged with a refrigerant through a heat exchanger to cool to ultra-low temperature, and then cryogenically liquefied and separated in a rectification column to produce a product gas, which is passed through the heat exchanger at room temperature. It is manufactured through a process of raising the temperature to near. As such a device, there is an air separation device shown in FIG.
[0003]
In FIG. 2, reference numeral 1 denotes an air compressor that takes in and compresses air in the atmosphere.
[0004]
Using this apparatus, nitrogen gas and oxygen gas can be produced, for example, as follows. That is, first, air is compressed by the air compressor 1, moisture in the compressed air is removed by the drain separator, cooled by the Freon cooler, and then sent to the
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-mentioned air separation device, the high-
[0006]
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an air separation device capable of reducing compression power and increasing yield.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an air separation device of the present invention comprises an air compression unit for compressing raw air, a main heat exchanger for cooling compressed air that has passed through the air compression unit to a low temperature, and the main heat exchanger. A first rectification column for introducing compressed air cooled to a low temperature, a second rectification column for introducing liquid air taken out of the first rectification column, and a lower portion of the second rectification column A product heat exchanger, a product nitrogen gas extraction pipe for taking out nitrogen as a gas from the first rectification column and passing the nitrogen through the main heat exchanger to raise the temperature to produce product nitrogen gas. A gas pipe that sends a part of the nitrogen gas passing through the gas extraction pipe to the heat exchanger, and a part of the nitrogen gas that is provided in the gas pipe and passes through the product nitrogen gas extraction pipe, is compressed, and compressed to the heat exchanger. Sending nitrogen gas compression Stage and, a reflux pipe liquefied nitrogen occurring within the heat exchanger extending from the heat exchanger back into the first rectification column as a reflux liquid, the first rectification column and a second rectification The first rectification column is positioned above the first rectification column, and the second rectification column is positioned below the first rectification column.
[0008]
That is, in the air separation device of the present invention, the first rectification column, which was disposed on the lower side as a high-pressure rectification column in the conventional example, is disposed on the upper side, and in the conventional example, the first rectification column is disposed on the upper side as a low-pressure rectification column. The second rectification column, which has been used, is disposed below. In this apparatus, the first rectification tower and the second rectification tower are connected by a pipe or the like, and the liquid air taken out of the first rectification tower is introduced into the second rectification tower via the pipes by natural fall. can do. Further, a part of the nitrogen gas passing through the product nitrogen gas extraction pipe is taken out from the product nitrogen gas extraction pipe, introduced into the heat exchanger of the second rectification column by the nitrogen gas compression means , and passed through the heat exchanger. Then, after liquefaction using the cold heat of the liquid air introduced from the first rectification column, it can be returned to the first rectification column as a reflux liquid. By utilizing these natural falling and nitrogen gas compression means , the pressure difference between the two rectification columns can be eliminated, and the pressure of both rectification columns can be reduced to the same level as that of the conventional low-pressure rectification column. . Therefore, the discharge pressure of the air compressor can be reduced, and the compression power can be reduced accordingly. Further, when the pressure in the first rectification column decreases, the temperature in the first rectification column decreases, and the relative volatility of nitrogen (N 2 ) and oxygen (O 2 ) increases. Therefore, nitrogen and oxygen are easily separated in the first rectification column.
[0009]
Further, in the present invention, the above gas pipe, due to the provision of the nitrogen gas compression means for sending to the heat exchanger to compress it incorporates a portion of the nitrogen gas through the product nitrogen gas take-out pipe, the nitrogen gas compression means Is significantly smaller than the compression power of the air compression means, so that even if the compression powers of both compression means are totaled, the oxygen production unit consumption is about 10% as compared with the compression power of the conventional air compressor. It can be reduced. In particular, when the purity of the product oxygen gas obtained in the second rectification column is relatively low (about 93%), the flow rate of the nitrogen gas compression means can be reduced, and the rate of power reduction is large. Become.
[0010]
Further, in the present invention, from the heat exchanger, because of the extended the reflux pipe for returning the liquid nitrogen produced in the heat exchanger to the first rectification column as a reflux liquid, the discharge pressure of the nitrogen gas compression means The liquefied nitrogen generated in the heat exchanger can be returned to the first rectification column by utilizing it.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0012]
FIG. 1 shows an embodiment of the air separation device of the present invention. In this embodiment, an air compressor 1, a set of two
[0013]
Using this apparatus, nitrogen gas and oxygen gas can be produced, for example, as follows. That is, first, air is compressed to about 0.7 kg / cm 2 G by the air compressor 1, water in the compressed air is removed by the drain separator, and the air is cooled by the Freon cooler. To adsorb and remove water and carbon dioxide in the compressed air. Of course, when the pressure of about 3 kg / cm 2 G is required for the performance of the adsorbent of the
[0014]
As described above, in the above embodiment, the conventional high-
[0015]
In the above embodiment, the compression power of the air compressor 1 and the circulating
[0016]
(Equation 1)
Lad = (1 / 0.612) · Ps · Qs · (mκ / κ−1) · {(Pd / Ps) k−1 / mk −1}
Lad: Theoretical adiabatic compression power [kw]
Ps: Absolute pressure of suction gas [kg / cm 2 a]
Pd: absolute pressure of discharged gas [kg / cm 2 a]
Qs: gas amount converted to the suction state [m 3 / min]
m: Number of compression stages [stage]
κ: Gas adiabatic index [Cp / Cv, 0 ° C., 1 atm]
[0017]
In the above embodiment, LN 2 is used as a cold source from the outside. However, the present invention is not limited to this, and a cryogenic fluid such as LO 2 may be used, or air using an expansion turbine may be used. It may be a separating device. Further, in the above embodiment, all the product gas is taken out by gas. However, the present invention is not limited to this, and a part may be taken out by liquid or only oxygen gas may be produced.
[0018]
【The invention's effect】
As described above, according to the air separation apparatus of the present invention, the first rectification column, which was disposed on the lower side as the high-pressure rectification column in the conventional example, is disposed on the upper side, and the low-pressure rectification column in the conventional example. The second rectification column disposed on the upper side is disposed on the lower side. Therefore, the first rectification tower and the second rectification tower are connected by a pipe or the like, and the liquid air taken out of the first rectification tower is introduced into the second rectification tower by natural fall via the pipe or the like. be able to. Further, a part of the nitrogen gas passing through the product nitrogen gas extraction pipe is taken out from the product nitrogen gas extraction pipe, introduced into the heat exchanger of the second rectification column by the nitrogen gas compression means , and passed through the heat exchanger. Then, after liquefaction using the cold heat of the liquid air introduced from the first rectification column, it can be returned to the first rectification column as a reflux liquid. By utilizing the natural fall or the nitrogen gas compression means , the pressure difference between the two rectification columns can be eliminated, and the pressures of the both rectification columns can be reduced to the same level as the pressure of the conventional low-pressure rectification column. Therefore, the discharge pressure of the air compressor can be reduced, and the compression power can be reduced accordingly. Further, when the pressure in the first rectification column decreases, the temperature in the first rectification column decreases, and the relative volatility of nitrogen (N 2 ) and oxygen (O 2 ) increases. Therefore, nitrogen and oxygen are easily separated in the first rectification column.
[0019]
Further, in the present invention, the above gas pipe, due to the provision of the nitrogen gas compression means for sending to the heat exchanger to compress it incorporates a portion of the nitrogen gas through the product nitrogen gas take-out pipe, the nitrogen gas compression means Is significantly smaller than the compression power of the air compression means. Therefore, even if the compression powers of both compression means are summed up, the unit of oxygen production is about 10% as compared with the compression power of the conventional air compressor. It can be reduced. In particular, when the purity of the product oxygen gas obtained in the second rectification column is relatively low (about 93%), the flow rate of the nitrogen gas compression means can be reduced, and the rate of power reduction is large. Become.
[0020]
Further, in the present invention, from the heat exchanger, because of the extended the reflux pipe for returning the liquid nitrogen produced in the heat exchanger to the first rectification column as a reflux liquid, the discharge pressure of the nitrogen gas compression means The liquefied nitrogen generated in the heat exchanger can be returned to the first rectification column by utilizing it.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an air separation device showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of an air separation device showing a conventional example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
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