JP3992387B2 - 空気分離装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気分離装置に関し、具体的には、７０％から９５％程度のいわゆる低純度酸素を得る技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の空気分離装置により低純度酸素を得る技術としては、酸素から窒素を分離するための環流比を得るために必要な圧縮空気を下塔に供給し、残部を膨張タービンに送り、余剰寒冷を液体酸素もしくは液体窒素を発生させる熱源として用いること、あるいは、下塔から有圧窒素ガスを製品窒素ガスとして取出すことが行われており、低純度酸素を得るためのエネルギーを有効に回収し、装置全体としての経済性を保っていた。
つまり、例えば、図７に示すように、製品酸素ガスを得るために、液体窒素や窒素ガスをともに生産し、その液体窒素等を用いて熱回収を行うことで、エネルギー効率よく装置を運転できるように構成することが行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の空気分離装置によれば、低純度酸素以外に生産対象となるものを想定しておき、その生産物にエネルギーを回収させることになるから、他の生産物の需要が低下した場合には、やはり、無駄なエネルギーの浪費をしていることになって、経済性が低下する傾向にあった。
【０００４】
従って、本発明の目的は、上記欠点に鑑み、他の関連生産物の需要に関わりなく、エネルギー効率よく低純度酸素を供給する技術を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための本発明の空気分離装置の特徴構成は、
上塔及び下塔を備え、供給される原料空気を精留分離する精留塔、及び、圧縮供給される原料空気を熱交換により冷却する熱交換器を設け、
前記原料空気の一部分を前記熱交換器の中間部から取出し、断熱膨張させる膨張機、及び、前記膨張機により駆動され、前記原料空気の残りの一部分を熱交換器通過後に圧縮する低温昇圧機を設け、
前記上塔下部から取り出された液体酸素を昇圧する液体酸素ポンプを設け、昇圧された液体酸素を、前記熱交換器に供給し、蒸発、昇温させて酸素ガスとして取り出すようにした点にある。
また、前記低温昇圧機を経た原料空気を、前記上塔下部から取出された液体酸素により冷却させるサブクーラを設けてもよく、
さらに、前記低温昇圧機を経た原料空気及び前記熱交換器を経過した原料空気を、前記上塔下部から取出された液体酸素により冷却させるサブクーラを設けてもよく、
またさらに、前記上塔下部から取出された液体酸素をさらに精留して前記液体酸素ポンプに供給可能とする第三精留部を設けてもよい。
【０００６】
〔作用効果〕
つまり、上塔及び下塔を備え、供給される原料空気を精留分離する精留塔、及び、圧縮供給される原料空気（圧縮空気）を熱交換により冷却する熱交換器を設け、前記上塔下部から取り出された液体酸素を、前記熱交換器に供給して蒸発させる液体酸素ポンプを設けてある空気分離装置によると、前記液体酸素ポンプで昇圧された液体酸素を前記熱交換器で蒸発、昇温させて、酸素ガスとして取出すことができる。
ここで、熱交換器を通過した昇圧縮空気の一部をさらに圧縮する低温昇圧機を、残りの昇圧空気を断熱膨張させる膨張機により駆動可能に連設してあると、下塔に供給する昇圧空気を更に圧縮して供給するのに必要となる外部エネルギーの一部を前記膨張機の駆動エネルギーでまかなえることになり、少ないエネルギーで下塔に供給する昇圧空気を得ることが出来る。
前記昇圧空気としては、別途配管を設けて、前記熱交換器に供給され中間部で取出されるものを用いても良いし、前記熱交換器を通過したものを用いても良い。
また本装置は、上塔下部と液体酸素ポンプとの間に生じる静圧が、酸素ガスの昇圧に利用される構成となっている。
【０００７】
また、サブクーラを設けてあれば、液体酸素ポンプで昇圧された液体酸素と、低温昇圧機で昇圧され、熱交換器で、再冷却された昇圧空気との熱交換により全体としての熱交換効率を高めることが出来る。つまり、酸素ガスの昇圧にも貢献する。このサブクーラでは、前記液体酸素との熱交換をする昇圧空気として、低温昇圧機で昇圧された後熱交換器で再冷却された昇圧空気、あるいは、前記昇圧空気及び前記熱交換器を経由した圧縮空気が用いられる。
【０００８】
また、前記液体酸素ポンプで送られる酸素を更に精留する第三塔を設けてあれば余剰寒冷を更に純度を高められた酸素ガスの昇圧に利用できる。
【０００９】
また、廃ガス以外に系外に放出されるガスは全くなくてもよいが、製造すべき低純度酸素ガスの生産性に影響を与えない程度に、他に、液体窒素等の製品ガスを生産することもできる。
【００１０】
その結果、低純度酸素製造に必要となるエネルギーと、製品としてえられた低純度酸素が受けたエネルギーとの差分を、効率よく回収してさらに低純度酸素製造に用いることになるから、他の生産物と関わりなくエネルギー効率よく低純度酸素を供給することができるようになった。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、本発明の空気分離装置は、
上塔Ａ及び下塔Ｂを備え、供給される原料空気を精留分離する精留塔、及び、圧縮供給される原料空気を熱交換により冷却する熱交換器１を設け、
前記昇圧空気（原料空気）の一部分を前記熱交換器１の中間部から取出し、断熱膨張させる膨張機２、及び、前記膨張機２により駆動され、熱交換器１を通過した原料空気を圧縮する低温昇圧機３を設け、
前記上塔Ａ下部から取り出した液体酸素を、前記熱交換器１に供給して蒸発させる液体酸素ポンプ７を設けて構成してある。
【００１２】
原料空気圧縮機（図外）にて上塔Ａの低純度酸素（ここでは約８０％）をリボイルするのに必要な圧力（ここでは、４．４barA）まで圧縮され、前処理設備で水分・炭酸ガスの不純物を除去された予備圧縮空気（原料空気）の一部は、空気昇圧機（図外）へと送られ（原料空気圧縮機とコンバインさせることがのぞましい）、製品酸素の純度・圧力にて定まるプロセス上必要な圧力（６．８barA）まで昇圧され、昇圧空気として熱交換器１へと送られる。
【００１３】
熱交換器１では、原料空気は、向流する低純度酸素ガス・廃ガスと熱交換し、およそ−１６６℃まで冷却される。また、昇圧空気は、その一部が熱交換器１の中間部よりおよそ−１４７℃にて取出され、膨張タービン２へと送られ、断熱膨張され、さらに冷却された後、上塔の中部に供給される。残部は−１６６℃に冷却された後、前記膨張機駆動の低温昇圧機３に導入され、更に昇圧されて、再び熱交換器１中部に返される。この昇圧空気は更に冷却されて、さらに、サブクーラで熱交換を受け、冷却され一部が下塔Ｂ中部へ、残部が過冷却器５を通って、上塔Ａ中部に供給される。
【００１４】
下塔Ｂでは、底部に導入される原料空気と中間部に導入される液化空気を精留操作にて分離し、塔頂より液化窒素、塔底より液化酸素富化空気はそれぞれ前述の過冷却器５を経て環流液として上塔へ送られる。また、下塔Ｂ頂部に設けられた主蒸発器６では、下塔Ｂの窒素と上塔Ａの低純度酸素の熱交換により下塔Ｂの精留に必要な環流液を発生させるとともに、上塔Ａの精留に必要なリボイルガスを発生している。上塔Ａでは、塔頂に液化窒素、その下に液化空気、更にその下に、気体酸素富化空気と、膨張機２からの低温空気（この導入部が供給部Ｃに該当する）をそれぞれ導入し、精留操作にて底部より低純度液化酸素を、塔頂より廃ガスをそれぞれ取出す。廃ガスは、過冷却器５に送られ、液化酸素富化空気・液化空気・液化窒素をそれぞれ過冷却した後、熱交換器１へ導入され、向流する原料空気と熱交換して常温にて取出される。底部にて取出された液化低純度酸素は、ポンプにて必要な圧（４．３barA）まで昇圧され、サブクーラーへと送られ、昇圧空気と熱交換し、昇温され熱交換器１へ導入され、向流する原料空気と熱交換して常温にて取出される。
【００１５】
このようにして取出された有圧の低純度酸素は、従来の装置にて低純度酸素のみを生産する場合に比べ、４．３barA付近の条件で、エネルギー消費量を約１０％少なく抑えながら生産することが出来た。
【００１６】
先の実施の形態では、低温昇圧機３を経た昇圧空気をサブクーラーに供給して熱回収を行ったが、特に無くても良く（図２）、あるいはさらに、予備圧縮空気との熱交換まで行う形態（図３）であってもよい。また、膨張機に昇圧空気を供給する形態に替えて、予備圧縮空気を供給する形態（図４）を採用してもよい。さらに、第三精留部Ｘを設け、前記上塔下部から取出された液体酸素をさらに精留して前記酸素ポンプに供給可能に構成してもよい（図５）。尚、前記膨張機に供給するガスとしては、下塔Ｂ上部からの窒素ガスを利用することもできる。（図６）
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の空気分離装置の概略図
【図２】本発明の空気分離装置の異なる形態を示す概略図
【図３】本発明の空気分離装置の異なる形態を示す概略図
【図４】本発明の空気分離装置の異なる形態を示す概略図
【図５】本発明の空気分離装置の異なる形態を示す概略図
【図６】本発明の空気分離装置の異なる形態を示す概略図
【図７】従来の空気分離装置の概略図
【符号の説明】
１ 熱交換器
２ 膨張機
３ 低温昇圧機
４ サブクーラー
５ 過冷却器
６ 主蒸発器
７ 液体酸素ポンプ
Ａ 上塔
Ｂ 下塔

Claims (4)

  1. 上塔及び下塔を備え、供給される原料空気を精留分離する精留塔、及び、圧縮供給される原料空気を熱交換により冷却する熱交換器を設け、
    前記原料空気の一部分を前記熱交換器の中間部から取出し、断熱膨張させる膨張機、及び、前記膨張機により駆動され、前記原料空気の残りの一部分を熱交換器通過後に圧縮する低温昇圧機を設け、
    前記上塔下部から取り出された液体酸素を昇圧する液体酸素ポンプを設け、昇圧された液体酸素を、前記熱交換器に供給し、蒸発、昇温させて酸素ガスとして取り出す空気分離装置。
  2. 前記低温昇圧機を経た原料空気を、前記上塔下部から取出された液体酸素により冷却させるサブクーラを設けた請求項１に記載の空気分離装置。
  3. 前記低温昇圧機を経た原料空気及び前記熱交換器を経過した原料空気を、前記上塔下部から取出された液体酸素により冷却させるサブクーラを設けた請求項１に記載の空気分離装置。
  4. 前記上塔下部から取出された液体酸素をさらに精留して前記液体酸素ポンプに供給可能とする第三精留部を設けた請求項１〜３のいずれかに記載の空気分離装置。
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