JP4447501B2 - 空気液化分離方法及び装置 - Google Patents
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Description
本発明は、空気液化分離方法及び装置に関し、詳しくは、圧縮、精製、冷却した原料空気を低温蒸留することにより酸素と窒素とを製品として採取する空気液化分離方法及び装置に関する。
空気を低温蒸留して窒素や酸素等を生産する方式として、高圧塔と低圧塔とからなる複式蒸留塔が従来から広く用いられている。空気分離を行う際の動力消費量を抑制し、製造コストを低減するためには、原料空気圧縮機及び酸素圧縮機の動力消費量を低減すること、すなわち、原料空気圧縮機の吐出圧力を低くし、酸素圧縮機の吸入圧力を高くする必要がある。
例えば、複式蒸留塔から得られた液化酸素を液化酸素ポンプで加圧した後に混合塔の上部から供給し、混合塔の下部から供給した圧縮原料空気の一部と気液接触させ、混合塔の上部から圧縮した原料空気と同程度の圧力で酸素ガスを採取することにより、酸素圧縮機の吸入圧力を高くして動力消費量を削減する方法が提案されている。しかしながら、この方法では、高圧塔と低圧塔の熱交換が効率的ではなく、原料空気圧縮機の動力消費量の低減に関しては未だ不十分である。
また、原料空気圧縮機の動力消費量の低減に関して、熱交換型蒸留器を用いて中純度の酸素（酸素濃度８５〜９９％）を製造する方法が提案されている。この方法では、熱交換型蒸留器として２つの通路を熱交換可能となるように配設したプレートフィン熱交換器が用いられており、原料空気を熱交換型蒸留器の第１通路で蒸留し、通路上部から低沸点の窒素に富む気相生成物を採取し、通路下部から高沸点の酸素に富む液相生成物を採取するとともに、第２通路で前記酸素に富む液相生成物を第１通路内の原料空気と熱交換させつつ蒸留することにより、通路下部から製品酸素を得るようにしている。
さらに、熱交換型蒸留器を用いた方法として、原料空気を第１通路で蒸留して通路上部から窒素に富む気相生成物を導出し、これを凝縮させたものの一部を第２通路に還流液として導入し、第２の通路の下部から酸素濃度７０％以上の製品を採取する方法も提案されている。
そして、これらの方法よりも原料空気圧縮機の吐出圧力を更に低く設定できる方法として、空気凝縮通路と窒素蒸留通路と酸素蒸留通路とを備えた熱交換型蒸留器と蒸留塔とを用い、原料空気と窒素富化空気と粗酸素との間の熱交換を効率よく行わせる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−２８５６８号公報
しかしながら、動力消費量を低減するために原料空気圧縮機の吐出圧力を低くすると、原料空気を精製する過程での圧力も低くなってしまうため、原料空気精製設備等の前処理設備や主熱交換器が大型になるという問題がある。また、原料空気圧縮機の吐出圧力を低くすると、熱交換型蒸留器における窒素蒸留通路と酸素蒸留通路との温度差が小さくなり、必要な伝熱面積が大きくなるため、熱交換型蒸留器が大型になるという問題もある。
そこで本発明は、熱交換型蒸留器及び混合塔を用いて動力消費量を更に低減することができる空気液化分離方法及び装置を提供することを目的としている。
上記目的を達成するため、本発明の空気液化分離方法は、圧縮、精製、冷却した原料空気を低温蒸留することにより酸素と窒素とを製品として採取する空気液化分離方法において、前記原料空気を高圧塔に導入して蒸留することにより窒素を濃縮した窒素富化空気と酸素を濃縮した酸素富化空気とを得る工程と、前記窒素富化空気を、互いに熱交換可能に形成された窒素蒸留通路と酸素蒸留通路とを備えた熱交換型蒸留器の前記窒素蒸留通路に導入して冷却しつつ蒸留し、窒素を更に濃縮した窒素濃縮物を得る工程と、前記酸素富化空気を低圧塔に導入して蒸留することにより窒素を濃縮した低圧窒素と酸素が更に濃縮された粗酸素とを得る工程と、前記低圧窒素を製品低圧窒素として採取する工程と、前記粗酸素を前記熱交換型蒸留器の前記酸素蒸留通路に導入し、前記窒素蒸留通路の窒素富化空気と熱交換させて窒素富化空気を冷却するとともに粗酸素を加熱しつつ蒸留して酸素が濃縮された液化酸素を得る工程と、前記液化酸素を加圧後に混合塔に導入して前記原料空気の一部と気液接触させ、気化させて酸素ガスを得る工程と、前記酸素ガスを製品酸素ガスとして採取する工程とを含むことを特徴としている。
さらに、本発明の空気液化分離方法は、前記窒素蒸留通路で得られた前記窒素濃縮物を気液分離して窒素ガスと液化窒素とを得る工程と、得られた前記窒素ガスの一部を製品中圧窒素として採取する工程と、得られた前記液化窒素を前記低圧塔に導入する工程とを有していることを特徴とし、加えて、得られた前記窒素ガスの一部を圧縮する工程と、該圧縮後の窒素ガスを断熱膨張させる工程とを有し、断熱膨張時に発生する動力を、前記窒素ガスの一部を圧縮するための動力として使用することを特徴としている。
また、本発明の空気液化分離方法は、前記窒素蒸留通路で得られた前記窒素濃縮物の一部を前記低圧塔で得られた前記粗酸素と熱交換させ、液化させて液化窒素を得る工程と、得られた前記液化窒素を前記低圧塔に導入する工程とを有していることを特徴としている。
さらに、本発明の空気液化分離方法は、前記窒素蒸留通路で得られた前記窒素濃縮物の一部を前記高圧塔で得られた前記酸素富化空気の一部と熱交換させ、液化させて液化窒素を得る工程と、得られた前記液化窒素を前記低圧塔に導入する工程とを有していることを特徴としている。
加えて、前記窒素蒸留通路で得られた窒素濃縮物の一部を圧縮する工程と、該圧縮後の窒素濃縮物を断熱膨張させる工程とを有し、断熱膨張時に発生する動力を、前記窒素濃縮物の一部を圧縮するための動力として使用することを特徴とし、さらに、圧縮した前記原料空気の一部を更に圧縮する工程と、該圧縮後の原料空気を断熱膨張させる工程とを有し、断熱膨張時に発生する動力を、前記原料空気の一部を更に圧縮するための動力として使用することを特徴としている。
また、本発明の空気液化分離装置は、圧縮、精製、冷却した原料空気を低温蒸留することにより酸素と窒素とを製品として採取する空気液化分離装置において、高圧塔、熱交換型蒸留器、低圧塔及び混合塔を備え、前記高圧塔は、前記原料空気を蒸留して窒素を濃縮した窒素富化空気と酸素を濃縮した酸素富化空気とを得るものであり、前記熱交換型蒸留器は、窒素蒸留通路の流体と酸素蒸留通路の流体とが熱交換可能に形成され、前記窒素蒸留通路において前記高圧塔で得られた前記窒素富化空気を冷却しつつ蒸留して窒素を更に濃縮した窒素濃縮物を得るとともに、前記酸素蒸留通路において前記低圧塔で得られた粗酸素を加熱しつつ蒸留して酸素が濃縮された液化酸素を得るものであり、前記低圧塔は、前記高圧塔で得られた前記酸素富化空気を蒸留して窒素を濃縮した低圧窒素と酸素が更に濃縮された前記粗酸素とを得るものであり、前記混合塔は、前記熱交換型蒸留器で生成した前記液化酸素と前記原料空気の一部とを気液接触させることにより気化して酸素ガスを得るものであり、さらに、前記熱交換型蒸留器で生成した前記液化酸素を加圧するポンプを備えるとともに、前記低圧塔で得られた前記低圧窒素を製品低圧窒素として、前記混合塔で得られた酸素ガスを製品酸素ガスとして、それぞれ採取する製品採取経路を備えていることを特徴としている。
さらに、本発明の空気液化分離装置は、前記窒素蒸留通路で得られた窒素濃縮物を気液分離して窒素ガスと液化窒素とを得る気液分離器と、得られた前記液化窒素を前記低圧塔に導入する経路と、得られた前記窒素ガスの一部を製品中圧窒素として採取する製品採取経路とを備えていることを特徴としている。
また、前記窒素蒸留通路で得られた窒素濃縮物の一部を前記低圧塔で得られた前記粗酸素と熱交換させ、液化させて液化窒素を得る凝縮器と、得られた液化窒素を前記低圧塔に導入する経路とを備えていることを特徴としている。
さらに、前記窒素蒸留通路で得られた窒素濃縮物の一部と前記高圧塔で得られた前記酸素富化空気の一部とを熱交換させ、窒素濃縮物を液化させて液化窒素を得るとともに酸素富化空気を気化させる凝縮器と、得られた液化窒素を前記低圧塔に導入する経路と、気化した酸素富化空気を前記低圧塔に導入する経路とを備えていることを特徴としている。
本発明によれば、熱交換型蒸留器を用いることにより、従来の複式蒸留塔を用いる場合に比べて、窒素蒸留通路と酸素蒸留通路との熱交換を効率的に行わせることができるため、原料空気圧縮機の吐出圧力を低くできる。加えて、混合塔を用いることにより、圧縮原料空気と同程度の圧力の製品酸素ガスを採取することができる。このため、従来の複式蒸留塔を用いた装置で本発明と同じ圧力の製品酸素ガスを得るための原料空気圧縮機と製品酸素圧縮機との合計動力消費量に比べて、本発明での原料空気圧縮機とポンプとの合計動力消費量を大幅に削減することができる。
また、従来の熱交換型蒸留器を用いた場合に比べて原料空気圧縮機の吐出圧力は高くなるが、混合塔を用いることによって圧縮原料空気と同程度の圧力の製品酸素ガスを採取することができる。このため、従来の熱交換型蒸留器を用いた装置で本発明と同じ圧力の製品酸素ガスを得るための原料空気圧縮機と製品酸素圧縮機との合計動力消費量に比べて、本発明での原料空気圧縮機とポンプとの合計動力消費量を削減することができる。
さらに、従来の熱交換型蒸留器を用いた空気分離装置に比べて原料空気圧縮機の吐出圧力が高くなるので、空気予冷器、精製器、主熱交換器等における流体の圧力が高くなるため、これらの前処理設備を小型化することができ、設備費を削減できる。加えて、熱交換型蒸留器の窒素蒸留通路における流体の圧力が高くなるため、酸素蒸留通路における流体との温度差が大きくなり、熱交換型蒸留器の小型化も図れる。
図１は本発明の空気液化分離装置の第１形態例を示す系統図である。この空気液化分離装置は、原料空気を圧縮する原料空気圧縮機１１と、圧縮された原料空気の圧縮熱を取り除く空気予冷器１２と、空気予冷器１２を経た原料空気中の不純物（水分、二酸化炭素等）を除去する精製器１３と、精製器１３を経た原料空気を冷却する主熱交換器１４と、主熱交換器１４を経た原料空気を蒸留する高圧塔１５と、高圧塔１５を経たガス状蒸留物をさらに蒸留する熱交換型蒸留器１６と、熱交換型蒸留器１６の窒素蒸留通路１６ａを経た蒸留物及び高圧塔１５を経た液状蒸留物をさらに蒸留する低圧塔１７と、熱交換型蒸留器１６の酸素蒸留通路１６ｂを経た液状蒸留物を加圧するポンプ１８と、ポンプ１８で加圧された液状蒸留物と原料空気の一部とを気液接触させる混合塔１９と、ガス状物を断熱膨張させて寒冷を発生する膨張タービン２０と、温流体を冷流体によって過冷却状態にする２基の過冷器２１，２２と、前記膨張タービン２０に連結された昇圧機２３と、製品酸素ガスを加圧する酸素圧縮機２４とを主要構成機器とするものであって、低温流体が流れる機器及び経路は保冷槽２５に収納されている。
前記熱交換型蒸留器１６は、前記窒素蒸留通路１６ａと前記酸素蒸留通路１６ｂとを備えており、両通路間で互いに熱交換可能な構造となっている。この熱交換型蒸留器１６の構造は任意であるが、プレートフィン式熱交換器を使用することができる。また、前記高圧塔１５を熱交換型蒸留器１６と一体化させ、プレートフィン式熱交換器の流路の一部とすることもできる。
次に、この空気液化分離装置に基づいて本発明の空気液化分離方法の第１形態例を説明する。まず、大気等の原料空気ＲＡは、原料空気圧縮機１１で所定圧力、例えば約４７０ｋＰａに圧縮され、空気予冷器１２で常温まで冷却された後、精製器１３において、原料空気中の水分や二酸化炭素等の不純物が吸着除去されて精製される。
精製された原料空気の一部は、経路５１と経路５２とに分岐し、経路５２に分岐した原料空気の一部は、熱交換器２６を経て前記昇圧機２３に導入され、所定圧力に昇圧される。昇圧後の原料空気は、予冷器２７、前記熱交換器２６で冷却された後、経路５３を通って保冷槽２５に入り、前記主熱交換器１４に導入されて中間温度まで冷却される。中間温度の原料空気は、前記膨張タービン２０で断熱膨張することによって装置の運転に必要な寒冷を発生するとともに、この断熱膨張時に発生した動力を、回転軸２０ａで連結した前記昇圧機２３を駆動する動力として使用し、エネルギーの削減を図っている。断熱膨張後の原料空気は、経路５４を通って前記低圧塔１７の中下部に導入される。
一方、前記経路５１を流れる原料空気の本流は、前記主熱交換器１４を通過する際に戻りガスと熱交換することにより所定温度、例えば約−１７３℃に冷却される。冷却後の原料空気は、経路５５から経路５６と経路５７とに分岐し、経路５６の原料空気は、前記高圧塔１５の下部に導入される。また、経路５７に分岐した原料空気は、前記過冷器２１で更に冷却された後、経路５８を通って前記混合塔１９の下部に導入される。
前記高圧塔１５では、塔下部に導入された前記原料空気と、前記熱交換型蒸留器１６の窒素蒸留通路１６ａの下部から経路５９を経て塔上部に導入される窒素富化液化空気とによって蒸留操作が行われ、その過程で気相中に窒素が濃縮されるとともに液相中に酸素が濃縮されることにより、塔上部には窒素富化空気が濃縮し、塔下部には酸素富化空気が濃縮する。
高圧塔上部の窒素富化空気は、高圧塔１５から経路６０に抜き出され、熱交換型蒸留器１６の窒素蒸留通路１６ａの下部に導入される。窒素蒸留通路１６ａに流入した窒素富化空気は、隣接する酸素蒸留通路１６ｂを流れる冷流体（粗酸素）と熱交換して冷却されつつ蒸留され、気相中に更に窒素が濃縮されることにより、窒素蒸留通路１６ａの上部に、窒素濃縮物、例えば窒素濃度が９７％以上、酸素含有量が３％以下の窒素濃縮物が生成するとともに、液相中の酸素濃度が上昇して窒素蒸留通路１６ａの下部には窒素富化液化空気が生成する。この窒素富化液化空気は、前述のように経路５９を経て高圧塔１５の上部に還流液として導入される。
窒素蒸留通路１６ａの上部から気液混合状態で経路６１に抜き出された窒素濃縮物は、気液分離器２８に導入されて気液分離される。気液分離器２８の下部に分離した液相部（液化窒素）は、経路６２に抜き出されて前記過冷器２２で冷却され、減圧弁２９で減圧された後、経路６３から前記低圧塔１７の上部に還流液として導入される。また、気液分離器２８の上部に分離した気相部（中圧窒素ガス）は、経路６４に抜き出され、前記主熱交換器１４で原料空気と熱交換することにより常温付近まで温度上昇した後、製品中圧窒素採取経路６５から製品中圧窒素ＭＧＮとして採取される。
一方、前記高圧塔１５の下部に生成した酸素富化空気（酸素富化液化空気）は、塔下部から液状で経路６６に抜き出されて前記過冷器２２で冷却され、減圧弁３０で減圧された後、経路６７から前記低圧塔１７の中上部に導入される。
低圧塔１７では、経路６３から塔上部に導入された液化窒素、経路６７から塔中上部に導入された酸素富化液化空気、前記熱交換型蒸留器１６の酸素蒸留通路１６ｂの上部から経路６８を経て塔下部に導入される粗酸素ガス等が蒸留され、その過程で気相中に窒素が濃縮するとともに液相中に酸素が濃縮し、塔上部の気相には窒素が濃縮したガス、例えば窒素濃度が９８％以上、酸素含有量が２％以下の低圧窒素ガスが生成し、塔下部の液相には酸素が濃縮した粗酸素が生成する。
低圧塔１７の上部の窒素ガスは、経路６９に抜き出されて前記過冷器２２の冷却源となって温度上昇し、経路７０を通って主熱交換器１４で常温付近まで温度上昇した後、製品低圧窒素採取経路７１から製品低圧窒素ＧＮとして採取される。
また、低圧塔１７の下部からは、液状の粗酸素が経路７２に抜き出されて熱交換型蒸留器１６の酸素蒸留通路１６ｂの上部に導入される。この液状の粗酸素は、酸素蒸留通路１６ｂを下降する過程で、窒素蒸留通路１６ａを流れる窒素富化空気と熱交換することによって加熱されつつ蒸留され、気相中の窒素濃度が高くなり、液相中の酸素濃度が高くなる。この蒸留操作により、酸素蒸留通路１６ｂの下部に酸素が濃縮され、例えば酸素濃度９７％以上の液化酸素が生成し、通路上部には窒素濃度が増加した粗酸素ガスが上昇する。この粗酸素ガスは、前記経路６８を通って前記低圧塔１７の下部に上昇ガスとして導入される。前記液化酸素は、酸素蒸留通路１６ｂの下部から経路７３に抜き出されて前記ポンプ１８により加圧された後、前記過冷器２１を経て経路７４から前記混合塔１９の上部に導入される。
混合塔１９では、前記経路５８から導入された原料空気と、前記経路７４から導入された液化酸素とが気液接触を行う。この混合塔１９の中下部からは、経路７５に酸素富化液化空気が抜き出され、前記過冷器２１を経て減圧弁３１で減圧された後、経路７６から前記低圧塔１７の中下部に導入される。さらに、混合塔１９の下部からは、経路７７に酸素富化液化空気が抜き出され、過冷器２１を経て減圧弁３２で減圧された後、経路７８から低圧塔１７の中下部に導入される。
そして、混合塔１９の上部に生成した酸素ガス、例えば酸素濃度９５％の酸素ガスは、経路７９に抜き出されて主熱交換器１４に導入され、常温付近まで温度上昇した後、製品酸素採取経路８０から製品酸素ガスＧＯとして採取される。この製品酸素ガスは、必要に応じて前記酸素圧縮機２４で所定圧力、例えば５ＭＰａに昇圧されて経路８０ａから送出される。
このようにして製品窒素及び製品酸素を採取する方法において、窒素蒸留通路１６ａと酸素蒸留通路１６ｂとを備えた熱交換型蒸留器１６を用いることにより、窒素蒸留通路１６ａを流れる窒素富化空気と、酸素蒸留通路１６ｂを流れる粗酸素との間の熱交換を効率よく行わせることができる。これにより、従来の複式蒸留塔を用いた方法に比べて、原料空気圧縮機１１で圧縮する原料空気の圧力を低く設定することができる。例えば、従来の方法において必要な原料空気圧力約５４０ｋＰａを、本形態例に示す方法では約４７０ｋＰａにできる。また、混合塔１９を併せて用いることにより、製品酸素ガスを原料空気と同程度の圧力、例えば４２０ｋＰａ程度で採取することができる。
したがって、製品酸素ガスを４２０ｋＰａで得る場合、複式蒸留塔を備えた従来の空気分離装置を用いた方法に対し、本形態例の方法では酸素圧縮機が不要となることから、約１９％の省エネルギー化が可能となる。また、５ＭＰａの製品酸素ガスを得る場合、本形態例でも酸素圧縮機２４を必要とするが、その吸入側の圧力が高く、酸素圧縮機２４の動力消費量が、従来法における酸素圧縮機の動力消費量に比べて極めて少ないため、原料空気圧縮機等を加えた全体の動力消費量において、従来法に比べて約１５％の省エネルギー化が可能となる。
また、熱交換型蒸留器を用いた従来の方法と比べた場合でも、製品酸素ガスの圧力が４２０ｋＰａ、５ＭＰａのいずれにおいても約３％の省エネルギー化が図れる。さらに、原料空気圧力をより高くできることから、精製器１３等の前処理設備の操作圧力を高く設定することができ、前処理設備を小型化することができる。加えて、窒素蒸留通路１６ａの操作圧力を高く設定できることから、熱交換型蒸留器１６における窒素蒸留通路１６ａと酸素蒸留通路１６ｂとの流体間温度差を、例えば１Ｋ程度に大きくすることが可能であるため、熱交換型蒸留器１６を小型化することができる。
さらに、混合塔１９を設けずに液化酸素を主熱交換器で気化させる場合、例えば液化酸素を５００ｋＰａまで昇圧した場合には、この液化酸素を気化させるための温流体として用いる原料空気を１ＭＰａまで昇圧する必要があり、圧縮に要するコストが大幅に上昇する。
図２は、本発明の空気液化分離装置の第２形態例を示す系統図である。なお、以下の説明において、前記第１形態例で示した空気液化分離装置における構成要素と実質的に同一の構成要素には、それぞれ同一符号を付して詳細な説明は省略する。
前記第１形態例装置では、前記窒素蒸留通路１６ａの上部から経路６１に気液混合状態の窒素濃縮物を抜き出して気液分離器２８に導入し、気液分離後の液状窒素濃縮物（液化窒素）を前記低圧塔１７の上部に導入していたのに対し、本形態例装置では、窒素蒸留通路１６ａの上部から経路８１にガス状の窒素濃縮物（中圧窒素ガス）のみを抜き出し、凝縮器４１で低圧塔１７の下部から抜き出した粗酸素と熱交換させて液化し、液化した窒素濃縮物（液化窒素）を低圧塔１７の上部に導入するようにしている。また、前記第１形態例装置では、圧縮、精製後の原料空気の一部を膨張タービン２０に導入していたのに対し、本形態例装置では、中圧窒素ガスの一部を膨張タービン４２に導入して寒冷を発生させるようにしている。
大気等の原料空気ＲＡは、原料空気圧縮機１１で所定圧力に圧縮され、空気予冷器１２で常温まで冷却された後、精製器１３で原料空気中の水分や二酸化炭素等の不純物が吸着除去されて精製される。精製された原料空気は、全量が経路５１を通り、前記主熱交換器１４で戻りガスと熱交換して所定温度に冷却された後、経路５５から経路５６と経路５７とに分岐し、経路５６の原料空気は、前記高圧塔１５の下部に導入される。また、経路５７に分岐した原料空気は、過冷器２１を通って経路５８から混合塔１９の下部に導入される。
高圧塔１５では、塔下部に導入された前記原料空気と、熱交換型蒸留器１６の窒素蒸留通路１６ａの下部から経路５９を経て塔上部に導入される窒素富化液化空気とによって蒸留操作が行われ、その過程で気相中に窒素が濃縮されるとともに液相中に酸素が濃縮されることにより、塔上部には窒素富化空気が生成し、塔下部に酸素富化空気が生成する。
高圧塔上部の窒素富化空気は、高圧塔１５から経路６０に抜き出され、熱交換型蒸留器１６の窒素蒸留通路１６ａの下部に導入される。窒素蒸留通路１６ａに流入した窒素富化空気は、隣接する酸素蒸留通路１６ｂを流れる粗酸素と熱交換して冷却されつつ蒸留され、気相中に更に窒素が濃縮されて窒素蒸留通路１６ａの上部に窒素濃縮物、例えば窒素濃度が９７％以上、酸素含有量が３％以下の窒素濃縮物が生成するとともに、液相中の酸素濃度が上昇して窒素蒸留通路１６ａの下部に窒素富化液化空気が生成する。この窒素富化液化空気は、前述のように経路５９を経て高圧塔１５の上部に還流液として導入される。
窒素蒸留通路１６ａの上部から経路８１に抜き出されたガス状の窒素濃縮物(中圧窒素ガス)は、経路８２と経路８３とに分岐し、経路８３に分岐した中圧窒素ガスは、主熱交換器１４で原料空気と熱交換することにより常温付近まで温度上昇した後、製品中圧窒素採取経路６５から製品中圧窒素ＭＧＮとして採取される。
このとき、一部の中圧窒素ガスが経路８４に分岐し、熱交換器４３を経て昇圧機４４で所定圧力に昇圧される。昇圧後の中圧窒素ガスは、予冷器４５、前記熱交換器４３で冷却された後、経路８５を通って主熱交換器１４に再び導入されて中間温度まで冷却される。中間温度の中圧窒素ガスは、前記膨張タービン４２で断熱膨張することによって装置の運転に必要な寒冷を発生するとともに、このとき発生した動力は、回転軸４２ａで連結した前記昇圧機４４を駆動する動力として使用する。断熱膨張後の中圧窒素ガスは、再び主熱交換器１４に導入され、常温となって経路８６から排ガスＷＧとして排出される。
一方、前記経路８２に分岐した中圧窒素ガスは、前記凝縮器４１に導入され、低圧塔１７の下部から経路７２ａに抜き出された液状の粗酸素と熱交換を行って凝縮することにより液化窒素となり、経路８７に抜き出された後、過冷器２２で冷却され、減圧弁２９で減圧され、経路６３から低圧塔１７の上部に還流液として導入される。
また、高圧塔１５の下部に分離した酸素富化空気（酸素富化液化空気）は、塔下部から経路６６に抜き出されて過冷器２２で冷却され、減圧弁３０で減圧されて経路６７から低圧塔１７の中上部に導入される。
低圧塔１７では、経路６３からの液化窒素、経路６７からの酸素富化液化空気、酸素蒸留通路１６ｂから経路６８を経て塔下部に導入される粗酸素ガス等が蒸留され、その過程で気相中に窒素が濃縮するとともに液相中に酸素が濃縮し、塔上部の気相には窒素が濃縮したガス、例えば窒素濃度が９８％以上、酸素含有量が２％以下の低圧窒素ガスが生成し、塔下部の液相には酸素が濃縮した粗酸素が生成する。
低圧塔１７の上部の窒素ガスは、経路６９に抜き出されて過冷器２２を通り、経路７０を通って主熱交換器１４で常温付近まで温度上昇した後、製品低圧窒素採取経路７１から製品低圧窒素ＧＮとして採取される。
前記凝縮器４１で中圧窒素ガスと熱交換することによって気化した粗酸素ガスは、経路７２ｂから経路６８に合流して低圧塔１７の下部に導入され、気化しなかった液状の粗酸素は、経路７２ｃを通って熱交換型蒸留器１６の酸素蒸留通路１６ｂの上部に導入される。この液状の粗酸素は、酸素蒸留通路１６ｂを下降する過程で、窒素蒸留通路１６ａを流れる窒素富化空気と熱交換することによって加熱されつつ蒸留され、気相中の窒素濃度が高くなり、液相中の酸素濃度が高くなる。
この酸素蒸留通路１６ｂでの蒸留操作により、酸素蒸留通路１６ｂの下部に酸素が濃縮され、例えば酸素濃度９７％以上の液化酸素が生成し、通路上部には窒素濃度が増加した粗酸素ガスが上昇する。この粗酸素ガスは、前記経路６８を通って前記低圧塔１７の下部に上昇ガスとして導入される。前記液化酸素は、酸素蒸留通路１６ｂの下部から経路７３に抜き出されてポンプ１８により加圧された後、過冷器２１を経て経路７４から前記混合塔１９の上部に導入される。
混合塔１９では、経路５８から導入された原料空気と、経路７４から導入された液化酸素とが気液接触を行う。この混合塔１９の中下部からは、経路７５に酸素富化液化空気が抜き出され、過冷器２１を経て減圧弁３１で減圧された後、経路７６から低圧塔１７の中下部に導入される。さらに、混合塔１９の下部からは、経路７７に酸素富化液化空気が抜き出され、過冷器２１を経て減圧弁３２で減圧された後、経路７８から低圧塔１７の中下部に導入される。
そして、混合塔１９の上部に生成した酸素ガス、例えば酸素濃度９５％の酸素ガスは、経路７９に抜き出されて主熱交換器１４に導入され、常温付近まで温度上昇した後、製品酸素採取経路８０から製品酸素ガスＧＯとして採取される。この製品酸素ガスは、必要に応じて酸素圧縮機２４で所定圧力、例えば５ＭＰａに昇圧されて経路８０ａから送出される。
本形態例に示す方法においても、前記第１形態例の方法と同様に、窒素蒸留通路１６ａと酸素蒸留通路１６ｂとを備えた熱交換型蒸留器１６を用いるので、窒素富化空気と粗酸素との間の熱交換を効率よく行わせることができ、複式蒸留塔を用いた従来の方法に比べて、原料空気圧縮機１１で圧縮する原料空気の圧力を低く設定することができる。また、混合塔１９を併せて用いることにより、原料空気と同程度の圧力で製品酸素ガスを採取できる。したがって、複式蒸留塔を用いた従来の方法に比べて、原料空気圧縮機及び酸素圧縮機の動力消費量を削減することができる。
また、熱交換型蒸留器を用いた従来の方法と比べた場合でも、原料空気圧縮機等の動力消費量を削減することができる。さらに、精製器等の前処理設備の操作圧力を高く設定できるため、前処理設備をコンパクトにできる。加えて、窒素蒸留通路の操作圧力を高く設定できることから、熱交換型蒸留器における窒素蒸留通路と酸素蒸留通路との流体間温度差を大きくすることが可能であり、熱交換型蒸留器をコンパクトにできる。
なお、前記凝縮器４１で窒素濃縮物を液化させるための冷却源には、高圧塔１５の下部から抜き出した酸素富化空気の一部を使用することもできる。さらに、本形態例において、中圧窒素ガスを使用した前記膨張タービン４２に代えて、前記第１形態例で示した原料空気を使用した膨張タービン２０を使用することも可能であり、第１形態例において、原料空気を使用した膨張タービン２０に代えて、中圧窒素ガスを使用した前記膨張タービン４２を使用することも可能である。
１１…原料空気圧縮機、１２…空気予冷器、１３…精製器、１４…主熱交換器、１５…高圧塔、１６…熱交換型蒸留器、１６ａ…窒素蒸留通路、１６ｂ…酸素蒸留通路、１７…低圧塔、１８…ポンプ、１９…混合塔、２０…膨張タービン、２１，２２…過冷器、２３…昇圧機、２４…酸素圧縮機、２５…保冷槽、２６…熱交換器、２７…予冷器、２８…気液分離器、２９…減圧弁、３０…減圧弁、３１…減圧弁、３２…減圧弁、４１…凝縮器、６５…製品中圧窒素採取経路、７１…製品低圧窒素採取経路、８０…製品酸素採取経路
Claims (11)
- 圧縮、精製、冷却した原料空気を低温蒸留することにより酸素と窒素とを製品として採取する空気液化分離方法において、前記原料空気を高圧塔に導入して蒸留することにより窒素を濃縮した窒素富化空気と酸素を濃縮した酸素富化空気とを得る工程と、前記窒素富化空気を、互いに熱交換可能に形成された窒素蒸留通路と酸素蒸留通路とを備えた熱交換型蒸留器の前記窒素蒸留通路に導入して冷却しつつ蒸留し、窒素を更に濃縮した窒素濃縮物を得る工程と、前記酸素富化空気を低圧塔に導入して蒸留することにより窒素を濃縮した低圧窒素と酸素が更に濃縮された粗酸素とを得る工程と、前記低圧窒素を製品低圧窒素として採取する工程と、前記粗酸素を前記熱交換型蒸留器の前記酸素蒸留通路に導入し、前記窒素蒸留通路の窒素富化空気と熱交換させて窒素富化空気を冷却するとともに粗酸素を加熱しつつ蒸留して酸素が濃縮された液化酸素を得る工程と、前記液化酸素を加圧後に混合塔に導入して前記原料空気の一部と気液接触させ、気化させて酸素ガスを得る工程と、前記酸素ガスを製品酸素ガスとして採取する工程とを含むことを特徴とする空気液化分離方法。
- 前記窒素蒸留通路で得られた前記窒素濃縮物を気液分離して窒素ガスと液化窒素とを得る工程と、得られた前記窒素ガスの一部を製品中圧窒素として採取する工程と、得られた前記液化窒素を前記低圧塔に導入する工程とを有していることを特徴とする請求項１記載の空気分離方法。
- 得られた前記窒素ガスの一部を圧縮する工程と、該圧縮後の窒素ガスを断熱膨張させる工程とを有し、断熱膨張時に発生する動力を、前記窒素ガスの一部を圧縮するための動力として使用することを特徴とする請求項２記載の空気分離方法。
- 前記窒素蒸留通路で得られた前記窒素濃縮物の一部を前記低圧塔で得られた前記粗酸素と熱交換させ、液化させて液化窒素を得る工程と、得られた前記液化窒素を前記低圧塔に導入する工程とを有していることを特徴とする請求項１記載の空気分離方法。
- 前記窒素蒸留通路で得られた前記窒素濃縮物の一部を前記高圧塔で得られた前記酸素富化空気の一部と熱交換させ、液化させて液化窒素を得る工程と、得られた前記液化窒素を前記低圧塔に導入する工程とを有していることを特徴とする請求項１記載の空気分離方法。
- 前記窒素蒸留通路で得られた窒素濃縮物の一部を圧縮する工程と、該圧縮後の窒素濃縮物を断熱膨張させる工程とを有し、断熱膨張時に発生する動力を、前記窒素濃縮物の一部を圧縮するための動力として使用することを特徴とする請求項１記載の空気分離方法。
- 圧縮した前記原料空気の一部を更に圧縮する工程と、該圧縮後の原料空気を断熱膨張させる工程とを有し、断熱膨張時に発生する動力を、前記原料空気の一部を更に圧縮するための動力として使用することを特徴とする請求項１記載の空気分離方法。
- 圧縮、精製、冷却した原料空気を低温蒸留することにより酸素と窒素とを製品として採取する空気液化分離装置において、高圧塔、熱交換型蒸留器、低圧塔及び混合塔を備え、前記高圧塔は、前記原料空気を蒸留して窒素を濃縮した窒素富化空気と酸素を濃縮した酸素富化空気とを得るものであり、前記熱交換型蒸留器は、窒素蒸留通路の流体と酸素蒸留通路の流体とが熱交換可能に形成され、前記窒素蒸留通路において前記高圧塔で得られた前記窒素富化空気を冷却しつつ蒸留して窒素を更に濃縮した窒素濃縮物を得るとともに、前記酸素蒸留通路において前記低圧塔で得られた粗酸素を加熱しつつ蒸留して酸素が濃縮された液化酸素を得るものであり、前記低圧塔は、前記高圧塔で得られた前記酸素富化空気を蒸留して窒素を濃縮した低圧窒素と酸素が更に濃縮された前記粗酸素とを得るものであり、前記混合塔は、前記熱交換型蒸留器で生成した前記液化酸素と前記原料空気の一部とを気液接触させることにより気化して酸素ガスを得るものであり、さらに、前記熱交換型蒸留器で生成した前記液化酸素を加圧するポンプを備えるとともに、前記低圧塔で得られた前記低圧窒素を製品低圧窒素として、前記混合塔で得られた酸素ガスを製品酸素ガスとして、それぞれ採取する製品採取経路を備えていることを特徴とする空気液化分離装置。
- 前記窒素蒸留通路で得られた窒素濃縮物を気液分離して窒素ガスと液化窒素とを得る気液分離器と、得られた前記液化窒素を前記低圧塔に導入する経路と、得られた前記窒素ガスの一部を製品中圧窒素として採取する製品採取経路とを備えていることを特徴とする請求項８記載の空気分離装置。
- 前記窒素蒸留通路で得られた窒素濃縮物の一部を前記低圧塔で得られた前記粗酸素と熱交換させ、液化させて液化窒素を得る凝縮器と、得られた液化窒素を前記低圧塔に導入する経路とを備えていることを特徴とする請求項８記載の空気分離装置。
- 前記窒素蒸留通路で得られた窒素濃縮物の一部と前記高圧塔で得られた前記酸素富化空気の一部とを熱交換させ、窒素濃縮物を液化させて液化窒素を得るとともに酸素富化空気を気化させる凝縮器と、得られた液化窒素を前記低圧塔に導入する経路と、気化した酸素富化空気を前記低圧塔に導入する経路とを備えていることを特徴とする請求項８記載の空気分離装置。
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