JP4782077B2 - 空気分離方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気分離方法および装置に関し、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分離方法および装置に関する。

空気を低温蒸留して、酸素、窒素を製造する方法には、高圧塔と低圧塔からなる複式精留塔を用いた方法がある。この方法は、低純度酸素から高純度酸素まで幅広く製造可能であり、最も一般的な方法である。

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、原料空気圧縮機の動力を低減すること、すなわち原料空気圧縮機の吐出圧力を低くするのが有効である。
しかし、複式精留塔を用いた方法は、熱交換器（コンデンサ／リボイラ）を用い、低圧塔の液化酸素を、高圧塔の窒素ガスで蒸発させるプロセスがあるため、低圧塔と高圧塔との圧力差が必要であり、大幅な原料空気圧縮機の吐出圧力低減はできず、動力消費量を十分に低減できない。

原料空気圧縮機の動力消費量の低減に関しては、近年、熱交換型蒸留器を利用した空気分離方法が提案されている。
例えば、特許文献１には、熱交換型蒸留器を用いて、酸素（酸素濃度８５〜９９％）を製造する方法が開示されている。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いる。

この先行発明では、原料空気を熱交換型蒸留器の第１通路で蒸留し、第１通路上部から低沸点の窒素に富む気相生成物を採取し、第１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。第２通路では、上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し、第２通路上部から窒素に富む気相生成物を採取し、第２通路下部から製品酸素を得ることができるとされている。

特許文献２にも、熱交換型蒸留器を用いた空気分離方法が開示されている。この方法では、空気凝縮通路と空気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て原料空気と窒素富化空気と酸素富化液化空気との間の熱交換を効率よく行わせ、これにより上記の方法よりも更に原料空気圧縮機の吐出圧力を低くすることができることが開示されている。
特許文献３には、熱交換型蒸留器と高純窒素塔を組み合わせることにより、従来より少ない動力費で、高純度窒素を得ることができる発明が開示されている。

特許文献４には、圧力の高い製品酸素ガスを得る場合に、混合塔を用いることで、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、動力消費量を低くすることができる発明が開示されている。
特開平９−１７０８７５号公報 特開２００３−２８５６８号公報 特開２００６−３４９３１９号公報 特開２００６−２７５３７９号公報

しかし、従来の熱交換型蒸留器を使用した空気分離方法では、高純度酸素（例えば、酸素濃度９９．６％）を製造する場合には、低純度酸素（例えば、酸素濃度９５．０％）を製造する場合に比べ、原料空気の圧力を大幅に高くする必要があった。
また、酸素の回収率（原料空気量中に含まれる酸素成分のうち製品酸素として回収される製品酸素量の割合）が低下するため、複式精留塔を用いた方法に対して動力の削減効果は得られないという問題があり、したがって高純度酸素を製造する場合には、複式精留塔を用いた方法が最も有効な方法であった。
そこで本発明では、高純度酸素を製造する場合においても、動力消費量を低減することができる熱交換型蒸留器を用いた空気分離方法および装置を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、空気を低温蒸留して酸素と窒素を得るための空気分離方法であって、
熱的に結合された空気蒸留通路と酸素蒸留通路とを有する熱交換型蒸留器、第１蒸留塔、酸素蒸発器を有する第２蒸留塔および主熱交換器を用い、
圧縮後に精製された原料空気を、第１原料空気と第２原料空気とに分離する工程と、
第１原料空気を、主熱交換器で冷却してから熱交換型蒸留器に導入し、空気蒸留通路において酸素蒸留通路を流れる流体との熱交換により冷却しながら蒸留し、第１窒素ガスと第１酸素富化液化空気とに分離する工程と、
第２原料空気を、主熱交換器で冷却してから第２蒸留塔の酸素蒸発器に導入し、第２蒸留塔の塔底液との熱交換で、第１液化空気とする工程と、
第１窒素ガスを第１蒸留塔の塔底液と熱交換し、第１液化窒素を得る工程と、
第１液化空気と、第１液化窒素と、第１酸素富化液化空気とを、第１蒸留塔において蒸留し、第２窒素ガスと第２酸素富化液化空気とに分離する工程と、
第２酸素富化液化空気を酸素蒸留通路において空気蒸留通路との熱交換により加熱しながら蒸留し、第２酸素富化空気と第３酸素富化液化空気とに分離し、第２酸素富化空気を第１蒸留塔に戻す工程と、
第３酸素富化液化空気を第２蒸留塔において蒸留し、低純度酸素ガスと高純度液化酸素とに分離する工程と、
第２窒素ガスを主熱交換器にて熱回収後に、製品窒素ガスとして導出する工程と、
低純度酸素ガスの一部または全部を、主熱交換器で熱回収後に製品低純度酸素ガスとして導出する工程と、
酸素蒸発器によって、第２原料空気と熱交換することにより、高純度液化酸素の一部を蒸発させ、第２蒸留塔の上昇ガスとする工程と、
高純度液化酸素を第２蒸留塔から製品高純度液化酸素として導出する工程と、
を含む空気分離方法である。

請求項２にかかる発明は、空気蒸留通路の一部が空気凝縮通路とされた熱交換型蒸留器を用い、
第１原料空気を、空気蒸留通路に導入する前に、空気凝縮通路において酸素蒸留通路を流れる流体との熱交換により冷却して部分液化し、気相と液相とに分離した後、気相を空気蒸留通路に導入し、液相を第１酸素富化液化空気に合流させる工程を含む請求項１記載の空気分離方法である。

請求項３にかかる発明は、第１酸素富化液化空気と第１液化空気と第１液化窒素を第１蒸留塔に導入する前に、第２窒素ガスと熱交換する工程を含む請求項１記載の空気分離方法である。

請求項４にかかる発明は、第２原料空気を、主熱交換器に導入する前に圧縮する工程を含む請求項１記載の空気分離方法である。

請求項５にかかる発明は、第１窒素ガスの一部を、製品中圧窒素ガスとして得る工程を含む請求項１記載の空気分離方法である。

請求項６にかかる発明は、空気を低温蒸留して酸素及び窒素を得るための空気分離装置であって、
空気蒸留通路と酸素蒸留通路とを有する熱交換型蒸留器、凝縮蒸発器を有する第１蒸留塔、酸素蒸発器を有する第２蒸留塔および主熱交換器を備え、
主熱交換器は、第１原料空気及び第２原料空気を、第１蒸留塔からの第２窒素ガス及び第２蒸留塔からの低純度酸素ガスで冷却し、
空気蒸留通路は、酸素蒸留通路と熱的に結合されており、主熱交換器で冷却された第１原料空気を蒸留し、第１窒素ガスと第１酸素富化液化空気とに分離し、
凝縮蒸発器は、第１蒸留塔の塔底部において、塔底液と熱交換することにより、空気蒸留通路からの第１窒素ガスを液化して第１液化窒素とし、
酸素蒸発器は、第２蒸留塔の塔底部において、間接的熱交換により、塔底液の一部を第２蒸留塔の上昇ガスとし、主熱交換器からの第２原料空気を第１液化空気とし、
第１蒸留塔は、凝縮蒸発器からの第１液化窒素と、酸素蒸発器からの第１液化空気と、空気蒸留通路からの第１酸素富化液化空気とを蒸留によって第２窒素ガスと第２酸素富化液化空気とに分離し、
酸素蒸留通路は、空気蒸留通路と熱的に結合されており、第１蒸留塔からの第２酸素富化液化空気を蒸留によって第２酸素富化空気と第３酸素富化液化空気とに分離し、第２酸素富化空気は第１蒸留塔に返送し、
第２蒸留塔は、酸素蒸留通路からの第３酸素富化液化空気を蒸留によって低純度酸素ガスと高純度液化酸素とに分離する空気分離装置である。

請求項７にかかる発明は、前記熱交換型蒸留器が、空気蒸留通路及び空気凝縮通路と、これらと熱的に結合した酸素蒸留通路とを有するととも空気凝縮通路の下流側に気液分離器を備えており、
空気凝縮通路は、主熱交換器からの第１原料空気を全量導入して、その一部を液化し、
気液分離器は、空気凝縮通路で凝縮された流体を気液分離し、液体を第１酸素富化液化空気に合流させる経路と、気体を空気蒸留通路へ送る経路とを有する請求項６記載の空気分離装置である。

請求項８にかかる発明は、第１蒸留塔からの第２窒素ガスによって、前記凝縮蒸発器からの第１液化窒素、空気蒸留通路からの第１酸素富化液化空気および酸素蒸発器からの第１液化空気を冷却する過冷器を有する請求項６記載の空気分離装置である。

請求項９にかかる発明は、前記第２原料空気をさらに圧縮する二次空気圧縮機を備えた請求項６記載の空気分離装置である。

請求項１０にかかる発明は、前記第１窒素ガスの一部を製品中圧窒素ガスとして導出する経路を備えた請求項６記載の空気分離装置である。

本発明によれば、複式精留塔を用いた空気分離装置や熱交換型蒸留器を用いた空気分離装置より少ない動力で高純度酸素（例えば、酸素濃度９９．６％）を採取することができる。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における空気分離装置を示すものである。
ここに示す空気分離装置２０は、原料空気ＲＡを圧縮する空気圧縮機１と、圧縮された原料空気の圧縮熱を取り除く空気予冷器２と、空気予冷器２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３と、精製器３を経て第１原料空気と第２原料空気に分割された原料空気を冷却する主熱交換器４と、空気蒸留通路５１及び酸素蒸留通路５２から構成され、主熱交換器４を経た第１原料空気を蒸留する熱交換型蒸留器５と、空気蒸留通路５１を経て上部から取り出された蒸留物を凝縮する窒素凝縮器６と、主熱交換器４を経た第２原料空気を冷却し、第１液化空気とする酸素蒸発器８と、空気蒸留通路５１から取り出された蒸留物と第１液化空気とを冷却する過冷器１２と、後述の酸素蒸発器８で凝縮した液化空気をさらに蒸留する第１蒸留塔７と、酸素蒸留通路５２を経た蒸留物をさらに蒸留する第２蒸留塔１１と、第２蒸留塔１１の塔底部の高純度液化酸素を蒸発させる酸素蒸発器８とを主要な構成機器とするものである。また、符号１６は保冷槽を示す。

熱交換型蒸留器５の空気蒸留通路５１と酸素蒸留通路５２とは互いに熱交換可能となっており、この熱交換型蒸留器５には、プレートフィン式熱交換器を用いることができる。
第１蒸留塔７および第２蒸留塔１１は、酸素蒸留通路５２と一体の構造とすることもできる。この場合、第１蒸留塔７および第２蒸留塔１１には、プレートフィン式熱交換器を用いることができる。

次に、この空気分離装置２０を用いた空気分離方法について説明する。
まず、大気中の原料空気ＲＡが、空気圧縮機１で圧縮され、空気予冷器２で常温まで冷却された後、精製器３において、原料空気中の水分および二酸化炭素等の不純物が除去される。
精製器３を経た原料空気は二分され、その一部は第１原料空気として経路Ｌ１を経た後、主熱交換器４において、後述する製品窒素、製品高純度酸素、製品低純度酸素等の低温流体との熱交換により露点付近まで冷却される。
この第１原料空気は、経路Ｌ７を経て、熱交換型蒸留器５の空気蒸留通路５１の下部に導入され、空気蒸留通路５１内を上昇する過程で、酸素蒸留通路５２内の第２酸素富化液化空気と熱交換して冷却されつつ蒸留され、気相中に窒素が濃縮される。
空気蒸留通路５１の上部で得られた第１窒素ガスは、経路Ｌ８を経て窒素凝縮器６に導入される。

窒素凝縮器６に導入された第１窒素ガスは、第１蒸留塔７下部の第２酸素富化液化空気との熱交換により、全量液化して第１液化窒素となる。この熱交換で、第２酸素富化液化空気の一部が蒸発し、第１蒸留塔７の上昇ガス（第１酸素富化空気）の一部となる。
第１液化窒素は、経路Ｌ９を経て減圧弁Ｖ１で減圧され、第１蒸留塔７の上部に導入される。

精製器３を経た原料空気の残部は、第２原料空気として経路Ｌ２を経て主熱交換器４において、後述する製品窒素ガス、製品高純度酸素ガス、製品低純度酸素ガス等の低温流体との熱交換により露点付近まで冷却される。
このとき、経路Ｌ２に、二次空気圧縮機９を設け、第２原料空気を更に圧縮できるようにすると、第１原料空気の圧力を、空気蒸留通路５１で必要な圧力まで下げることができるので、系全体として動力を低減することができる。

第２原料空気は、経路Ｌ３を経て酸素蒸発器８に導入され、第２蒸留塔１１底部の高純度液化酸素との熱交換により全量液化し、第１液化空気となる。この熱交換で、高純度液化酸素の一部が蒸発し、高純度酸素ガスとなって、第２蒸留塔１１の上昇ガスを形成する。
第１液化空気は、経路Ｌ４を経て、減圧弁Ｖ２で減圧され、第１蒸留塔７の中間部に導入される。

第１蒸留塔７では、第１液化窒素と、第１酸素富化液化空気と、第１液化空気とが蒸留される。気相中に窒素、液相中に酸素が濃縮し、第１蒸留塔７の上部から第２窒素ガスが、下部から第２酸素富化液化空気が得られる。
第１蒸留塔上部の第２窒素ガスは、第１蒸留塔７から導出され、経路Ｌ１７、経路Ｌ１８を経て、主熱交換器４に導入され、熱回収された後、製品窒素ガスＧＮとなる。

ここで、保冷槽１６内に過冷器１２を設け、第１液化空気、第１酸素富化液化空気及び第１液化窒素を第１蒸留塔７に導入する前に、第２窒素ガスと熱交換することで寒冷を回収すると、より低純度酸素及び高純度酸素の回収率が上昇する。

第２酸素富化液化空気は、第１蒸留塔７下部から導出され、経路Ｌ２１を経て酸素蒸留通路５２に導入される。
この第２酸素富化液化空気は、酸素蒸留通路５２を下降しながら、空気蒸留通路５１内の第１窒素富化空気との熱交換で加熱されつつ蒸留され、液相中に酸素が濃縮される。
酸素蒸発通路５２の上部で得られた第２酸素富化空気は、経路Ｌ３３を経て第１蒸留塔７の下部へ導入され、酸素蒸発通路５２の下部に濃縮された第３酸素富化液化空気は、経路Ｌ２３を経て第２蒸留塔１１上部へ導入される。

第２蒸留塔１１では、第３酸素富化液化空気が蒸留され、液相中に酸素が濃縮し、第２蒸留塔上部から低純度酸素ガスが、下部から高純度液化酸素が得られる。
第２蒸留塔１１で形成された上昇ガスは、塔下部から高純度酸素ガスとして導出することもできる。その場合、第２蒸留塔１１下部から導出された高純度酸素ガスは、経路Ｌ２４を経て主熱交換器４に導入され、熱回収された後に製品高純度酸素ガスＰＯとして回収される。
製品高純度酸素の一部または全量は、第２蒸留塔１１下部より液体のまま導出され、経路Ｌ３４を経て製品高純度液化酸素ＬＰＯとして回収される。

第２蒸留塔１１上部から導出された低純度酸素ガスは、一部または全量が経路Ｌ２８を経て主熱交換器４に導入され、熱回収された後に製品低純度酸素ガスＲＯとして回収される。
ここで、低純度酸素ガスの一部を、経路Ｌ３３を経て酸素蒸留通路５２の下部に導入してもよく、これによれば動力は少し余分にかかるが、高純度酸素の回収率が向上する。

製品高純度酸素ガスＰＯおよび製品低純度酸素ガスＲＯを高圧で回収する場合には、経路Ｌ２３に液化酸素ポンプ（図示せず）を設置し、酸素蒸留通路５２から導出した第３酸素富化液化空気を所定の圧力まで加圧し、第２蒸留塔１１を高圧で運転することにより、主熱交換器４から製品高純度酸素ガスＰＯおよび製品低純度酸素ガスＲＯを高圧で回収することができる。

このように、熱交換型蒸留器５に加えて第２蒸留塔１１を設け、図１に示したような構成とすることで、熱交換型蒸留器５において高純度酸素を製造する場合においても、空気蒸留通路５１と酸素蒸留通路５２の間の熱交換を効率よく行わせることができ、空気圧縮機１の吐出圧力を低減し、動力を低減することが可能となる。

例えば、本実施形態において、原料空気の流量を１００とし、高純度酸素を８．３、低純度酸素を１２．２得る場合、図8に示す従来の複式精留塔を用いて製品高純度酸素ガスＰＯのみを製造するプロセスと比較すると、動力が約７．５％削減できる（図7のプロセスに対しては約８％削減できる）。また、前述のように二次空気圧縮機９を設けた場合、図8に示す従来例と比較して、動力が約１５％削減できる（図7のプロセスに対しては約１６％削減できる）。

第１実施形態と、図7に示す従来のプロセスとを比較して、第１実施形態における作用効果を詳細に説明する。
図7に示す従来例の構成は、特許文献１に開示されたプロセスと基本的に同一である。また、図7における構成要素と本実施形態の構成要素とが実質的に同一とみなされる構成要素には百を加算した数字からなる符号を付してその説明を省略する。
図7に示す従来例の分離装置１００を用いて９９．６％の酸素を製造する場合、熱交換型蒸留器１０５の役割は、空気蒸留通路１５１内で原料空気を蒸留して上部から窒素ガスを得、酸素蒸留通路１５２内で酸素富化液化空気を蒸留して下部に酸素濃度９９．６％の液化酸素を得る。

これらと同時に空気蒸留通路１５１の流体と酸素蒸留通路１５２の流体を熱交換させて空気蒸留通路１５１内で還流液を生成しつつ酸素蒸留通路１５２内で上昇ガスを生成する。
図３は、図7に示す従来例における熱交換型蒸留器１０５の各通路内の温度分布を示すものである。
空気蒸留通路１５１の下部の気相酸素濃度は２０％程度であり、上部に向かって酸素濃度が低下し、空気蒸留通路１５１上部出口では気相酸素濃度４％程度となるため、温度は下部に比べて約３℃下がっている。

一方、酸素蒸留通路１５２の上部における液相酸素濃度は９９％程度である。酸素蒸留通路１５２では下部に向かって酸素濃度が上昇し、酸素蒸留通路１５２下部出口では液相酸素濃度が９９．６％程度となるが、通路内温度はほぼ一定であり、上部に比べて約０．１℃しか変化しない。
図３からも分かるとおり、空気蒸留通路１５１の温度勾配と酸素蒸留通路１５２の温度勾配は大きく異なっており、通路間の温度差が不均一になっている。加えて窒素凝縮器１０６は、通常、流体間温度差１．５℃程度以上で運転されるため、熱交換型蒸留器１０５の上部で通路間温度差を１．５℃以上確保するのが望ましく、従って熱交換型蒸留器１０５の下部における通路間温度差は４．５℃程度になる。

これに対し、図１に示す第１実施形態の分離装置２０では、９９．６％の酸素を製造する場合の熱交換型蒸留器５は、空気蒸留通路５１内で原料空気を蒸留して上部から窒素ガスを得て、酸素蒸留通路５２内で酸素富化液化空気を蒸留して下部に第２蒸留塔１１の原料となる９６.５％程度の酸素富化液化空気を分離する。これと同時に空気蒸留通路５１及び空気凝縮通路５３内の流体と酸素蒸留通路５２の流体を熱交換させて空気蒸留通路５１内で還流液を生成しつつ酸素蒸留通路５２内で上昇ガスを生成する。

図４は、第１実施形態における熱交換型蒸留器５の各通路内の温度分布を示すものである。
空気蒸留通路５１の下部の気相酸素濃度は２０％程度であり、上部に向かって酸素濃度が低下する。空気蒸留通路５１上部出口では気相酸素濃度１％程度となるため、温度は下部に比べて４℃程度下がる。
一方、酸素蒸留通路５２の上部の液相酸素濃度は６０％程度であり、下部に向かって酸素濃度が上昇する。酸素蒸留通路５２下部出口では液相酸素濃度が９６.５％程度となるため、温度は上部に比べて約７℃上がる。

図４から分かるとおり、空気蒸留通路５１の温度勾配と酸素蒸留通路５２の温度勾配は同程度となっており、通路間の温度差が比較的均一になっている。熱交換型蒸留器５の上部では通路間温度差が６．５℃程度であるが、下部では３．５℃程度になっている。
図7に示す従来装置１００から回収される製品酸素ガスの圧力と図１に示す第１実施形態装置２０から回収される製品酸素ガスの圧力とが等しい場合、従来装置１００における酸素蒸留通路１５２の圧力と第１実施形態装置２０における酸素蒸留通路５２の圧力はほぼ同じであり、酸素蒸留通路５２の下部の温度（図３の点Ａ２と図４の点Ｂ２）もほぼ同じである。（点Ａ２の酸素濃度は９９.６％で点Ｂ２の酸素濃度は９６.５％であるが、両者の温度差は０.５℃以下である）

図7に示す従来装置１００では、上述の理由により、原料空気が導入される空気蒸留通路１５１での点Ａ１の温度を酸素蒸留通路１５２での点Ａ２の温度よりも約４．５℃高くする必要があり、その温度差を確保できるまで圧力を上げて運転しなければならない。
これに対して、図１に示す第１実施形態装置２０においては、原料空気が導入される空気蒸留通路５１での点Ｂ１の温度を、酸素蒸留通路５２での点Ｂ２の温度より高い温度にすればよく、従来装置１００で必要とされるほど、圧力を上げる必要がない。
したがって、図7に示す従来例のプロセスに比べて低い原料空気圧力で運転することができる。

空気蒸留通路５１と酸素蒸留通路５２の温度差を更に小さく設定して空気蒸留通路５１の圧力を更に低くしようとする場合、このままでは第２原料空気の圧力も低くなり、酸素蒸発器８において第２原料空気と高純度液化酸素との温度差を充分に確保できなくなるため、前述のとおり二次空気圧縮機９を設けて第２原料空気を圧縮することにより第１原料空気の圧力、すなわち空気圧縮機１の吐出圧力を更に低くすることができる。

（第２実施形態）
図２は、本発明における第２実施形態での分離装置を示すものであるである。
本実施形態においては、熱交換型蒸留器５において、空気蒸留通路５１の下部に空気凝縮通路５３を備えている。この空気凝縮通路５３は、空気蒸留通路５１と同様に、酸素蒸留通路５２と熱的に結合している。

本実施形態においては、圧縮後に主熱交換器４で冷却された第１原料空気は、空気凝縮通路５３の上部に導入され、一部液化される。空気凝縮通路５３の下部から導出した気液混相流を、気液分離器２４により気相と液相に分離し、気相を空気蒸留通路５１の下部に導入するとともに、液相は、空気蒸留通路５１の下部から導出した第１酸素富化液化空気と合流させる。

このように、空気蒸留通路５１の一部を空気凝縮通路５３とし、酸素凝縮通路５２下部において並流で熱交換することにより、空気蒸留通路５１と酸素蒸留通路５２との最小温度差（ピンチポイント）を広げることができる。

図２に示した装置では、第２原料空気の一部を経路Ｌ５で分岐し、ブロア１３で昇圧したあと、主熱交換器４で冷却後に膨張タービン１４で断熱膨張し、第１精留塔７の下部に導入している。この膨張タービン１４は、本プロセスにおける寒冷生成が目的であるが、例えば、液体窒素等による寒冷補給で代替することも可能である。ブロワで昇圧する際には、膨張タービンと同軸とし、膨張タービンで原料空気を断熱膨張させる際に得られる動力を利用してブロワを駆動するのが好ましい。

第２実施形態と、図7に示す従来のプロセスとを比較して、第２実施形態における作用効果を説明する。
図２に示す第２実施形態の分離装置１０では、９９．６％の酸素を製造する場合の熱交換型蒸留器５は、空気蒸留通路５１内で原料空気を蒸留して上部から窒素ガスを得て、酸素蒸留通路５２内で酸素富化液化空気を蒸留して下部に第２蒸留塔１１の原料となる９６％程度の酸素富化液化空気を分離する。これと同時に空気蒸留通路５１及び空気凝縮通路５３内の流体と酸素蒸留通路５２の流体を熱交換させて空気蒸留通路５１内で還流液を生成しつつ酸素蒸留通路５２内で上昇ガスを生成する。

図5は、第２実施形態における熱交換型蒸留器５の各通路内の温度分布を示すものである。
図４で示したように、空気蒸留通路５１の下部の気相酸素濃度は２０％程度であり、上部に向かって酸素濃度が低下する。空気蒸留通路５１上部出口では気相酸素濃度１％程度となるため、温度は下部に比べて４℃程度下がる。
一方、酸素蒸留通路５２の上部の液相酸素濃度は６０％程度であり、下部に向かって酸素濃度が上昇する。酸素蒸留通路５２下部出口では液相酸素濃度が９６％程度となるため、温度は上部に比べて約６℃上がる。

図5では、図４同様、空気蒸留通路５１の温度勾配と酸素蒸留通路５２の温度勾配は同程度となっており、通路間の温度差が比較的均一になっている。熱交換型蒸留器５の上部では通路間温度差が２．５℃程度であるが、下部では１℃以下になっている。
図６に示す従来装置１００から回収される製品酸素ガスの圧力と図２に示す第２実施形態装置１０から回収される製品酸素ガスの圧力とが等しい場合、従来装置１００における酸素蒸留通路１５２の圧力と第２実施形態装置１０における酸素蒸留通路５２の圧力はほぼ同じであり、温度もほぼ同じである。

図7に示す従来装置１００では、上述の理由により、原料空気が導入される空気蒸留通路１５１での点Ａ１の温度を酸素蒸留通路１５２での点Ａ２の温度よりも約４．５℃高くする必要があり、その温度差を確保できるまで圧力を上げて運転しなければならない。

これに対して、図２に示す第２実施形態装置１０においては、原料空気が導入される空気凝縮通路５３での点Ｂ１の温度を、酸素蒸留通路５２での点Ｂ２の温度とほぼ同じにすればよく、従来装置１００で必要とされるほど、圧力を上げる必要がない。
したがって、図7に示す従来例のプロセスに比べて大幅に低い原料空気圧力で運転することができる。

（第３実施形態）
図6は、本発明における第３実施形態を示すものである。
本実施形態の空気分離装置４０では、第１蒸留塔７の下部に熱交換器を置かず、空気蒸留通路５１の上部から、第１窒素ガスの替わりに第１液化窒素を導出し、第１蒸留塔７へ導入する。

一方、空気蒸留通路５１の上部から導出した第１窒素ガスは、第１蒸留塔７ではなく、経路Ｌ３０を経て主熱交換器４に導入し、熱回収した後に製品中圧窒素ガスＭＧＮとして得ることができる。

このとき、製品中圧窒素ガスＭＧＮの一部を経路Ｌ３１で分岐し、ブロワ１７で昇圧して、経路Ｌ３２を経て主熱交換器４に導入する。主熱交換器４で、約−１６０℃まで冷却した後に、膨張タービン１８で断熱膨張し、再び主熱交換器４で熱回収して、廃ガスＷＧとして排出される。これによって空気分離装置４０に必要な寒冷を発生させることができる。
本実施形態では、第１実施形態における窒素凝縮器６が不要となるため、第１実施形態の分離装置２０に比べて装置コストを低減することができる。

なお、これらの第２および第３実施形態において、膨張タービンで得る寒冷は、外部からの液化酸素、液化窒素等の低温流体を供給することにより代替することもできる。

以下、具体例を示す。
（実施例１）
図２の第２実施形態に示した構成の空気分離装置１０において、製品高純度酸素ガスの酸素濃度９９．６％以上、製品低純度酸素ガスの酸素濃度９５．０％以上の条件でシミュレーションを行った。

圧縮、精製された０．３３ＭＰａ（絶対圧力）、１７℃の原料空気は、第１原料空気と第２原料空気の２系統に分岐される。第１原料空気は、主熱交換器４で露点付近まで冷却され、熱交換型蒸留器５で、酸素濃度１．３％の第１窒素ガスと酸素濃度４１．９％の第１酸素富化液化空気とに分離される。
第２原料空気は、二次空気圧縮機９で０．４５ＭＰａまで昇圧され、主熱交換器４で露点付近まで冷却され、酸素蒸発器８で全量液化し、第１液化空気として第１蒸留塔７に導入する。第２原料空気の一部をタービン空気としてブロワ１３で圧縮し、主熱交換器４で冷却後、膨張タービン１４で膨張し、第１蒸留塔７に導入する。

第１蒸留塔７では、第１酸素富化液化空気と第１液化空気とが、蒸留により酸素濃度０．６％の第２窒素ガスと酸素濃度６２．２％の第２酸素富化液化空気とに分離される。
第２窒素ガスは、過冷器１２、主熱交換器４を経て熱回収された後、常温の製品窒素ガスＧＮ（酸素濃度０．６％）として回収される。
第１蒸留塔７の下部から導出された第２酸素富化液化空気は熱交換型蒸留器５の酸素蒸留通路５２に導入され、酸素濃度３９．２％の第２酸素富化空気と酸素濃度９６．５％の第３酸素富化液化空気とに分離される。

酸素蒸留通路５２の下部から導出した第３酸素富化液化空気は第２蒸留塔１１に導入され、酸素濃度９５．０％の低純度酸素ガスと酸素濃度９９．６％の高純液化酸素とに分離される。
高純液化酸素は酸素蒸発器８で蒸発し、その一部が導出されて、製品高純度酸素ガスＰＯ（酸素濃度９９．６％）として主熱交換器４で熱回収された後に回収される。また、第２蒸留塔１１の塔頂から導出された低純度酸素ガスは酸素蒸留通路５２へ戻され、その一部が製品低純度酸素ガスＲＯ（酸素濃度９５．０％）として主熱交換器４で熱回収された後に回収される。

原料空気の流量を１００としたときの各経路での流量、圧力、酸素濃度を表１に示す。
本実施例においては、製品高純度酸素ガスＰＯの流量を８、製品低純度酸素ガスＲＯの流量を１３として回収しているが、装置の各経路における流量バランスを変えることにより、回収できる製品高純度酸素ガスＰＯの流量と製品低純度酸素ガスＲＯの流量割合を変えることができる。

次に、動力性能を評価するため表１に示したケースについて、第２実施形態の分離装置と従来例の分離装置との動力の比較を行った結果を表２に示す。
従来例としては、図7に示す熱交換型蒸留器を用いて製品高純度酸素ガスＰＯのみを製造する分離装置１００と、図8に示す複式精留塔を用いて製品高純度酸素ガスＰＯのみを製造する分離装置２００と、図9に示す熱交換型蒸留器を用いて製品低純度酸素ガスＲＯのみを製造する分離装置３００とを比較対象としてシミュレーションした。

図7に示した分離装置については先に述べたとおりのものである。
図8に示す複式精留塔を用いた装置２００では、高圧塔２１０、低圧塔２２０、主凝縮器２３０等に加えて、副凝縮器２４０が備えられている。副凝縮器２４０では、主凝縮器２３０から経路Ｌ２０１に導出され、自らの液頭圧（ヘッド）により加圧された後に導入された液化酸素が経路Ｌ２０２から導入された圧縮空気との熱交換により蒸発ガス化するため、圧力の高い製品高純度酸素ガスを回収することができる。
このため、本実施例では、常温で回収された製品高純度酸素ガスＰＯ及び製品低純度酸素ガスＲＯを酸素圧縮機で昇圧して従来例の装置２００から回収される製品高純度酸素ガス圧力と等しくなるようにシミュレーションを行った（表中の酸素圧力は酸素圧縮機入口の圧力を示す。）。

図9に示す従来の分離装置は、図２に示した第２実施形態での第２蒸留塔１１を欠くもので、熱交換型蒸留器３０５の酸素蒸留通路３５２の下部からの第３酸素富化液化空気を酸素蒸発器３０８に送り込み、ここで第２原料空気と熱交換し、気化したガスを製品低純度酸素ガスＲＯとして回収するものである。
表２に示した結果から、本実施例の装置では、図7および図8に示す従来例の装置に比べて動力が約２０％削減された。図9に示す従来例の装置に比べて動力は約４％大きくなったが高純度酸素を流量８．３（酸素濃度１００％換算）回収できることがわかる。

本発明の第１実施形態での空気分離装置を示す概略構成図である。 本発明の第２実施形態での空気分離装置を示す概略構成図である。 従来の空気分離装置での熱交換型蒸留器の空気蒸留通路と酸素蒸留通路とでの温度分布を示すグラフである。 本発明の第１実施形態の空気分離装置での熱交換型蒸留器の空気蒸留通路と酸素蒸留通路とでの温度分布を示すグラフである。 本発明の第２実施形態の空気分離装置での熱交換型蒸留器の空気蒸留通路と酸素蒸留通路とでの温度分布を示すグラフである。 本発明の第３実施形態での空気分離装置を示す概略構成図である。 従来の空気分離装置を示す概略構成図である。 従来の空気分離装置を示す概略構成図である。 従来の空気分離装置を示す概略構成図である。

符号の説明

２０・・空気分離装置、１・・空気圧縮機、２・・空気予冷器、３・・精製器、４・・主熱交換器、５・・熱交換型蒸留器、５１・・空気蒸留通路、５２・・酸素蒸留通路、６・・窒素凝縮器、８・・酸素蒸発器、１２・・過冷器、７・・第１蒸留塔、１１・・第２蒸留塔

Claims (10)

1. 空気を低温蒸留して酸素と窒素を得るための空気分離方法であって、
   熱的に結合された空気蒸留通路と酸素蒸留通路とを有する熱交換型蒸留器、第１蒸留塔、酸素蒸発器を有する第２蒸留塔および主熱交換器を用い、
   圧縮後に精製された原料空気を、第１原料空気と第２原料空気とに分離する工程と、
   第１原料空気を、主熱交換器で冷却してから熱交換型蒸留器に導入し、空気蒸留通路において酸素蒸留通路を流れる流体との熱交換により冷却しながら蒸留し、第１窒素ガスと第１酸素富化液化空気とに分離する工程と、
   第２原料空気を、主熱交換器で冷却してから第２蒸留塔の酸素蒸発器に導入し、第２蒸留塔の塔底液との熱交換で、第１液化空気とする工程と、
   第１窒素ガスを第１蒸留塔の塔底液と熱交換し、第１液化窒素を得る工程と、
   第１液化空気と第１液化窒素と第１酸素富化液化空気とを、第１蒸留塔において蒸留し、第２窒素ガスと第２酸素富化液化空気とに分離する工程と、
   第２酸素富化液化空気を酸素蒸留通路において空気蒸留通路との熱交換により加熱しながら蒸留し、第２酸素富化空気と第３酸素富化液化空気とに分離し、第２酸素富化空気を第１蒸留塔に戻す工程と、
   第３酸素富化液化空気を第２蒸留塔において蒸留し、低純度酸素ガスと高純度液化酸素とに分離する工程と、
   第２窒素ガスを主熱交換器にて熱回収後に、製品窒素ガスとして導出する工程と、
   低純度酸素ガスの一部または全部を、主熱交換器で熱回収後に製品低純度酸素ガスとして導出する工程と、
   酸素蒸発器によって、第２原料空気と熱交換することにより、高純度液化酸素の一部を蒸発させ、第２蒸留塔の上昇ガスとする工程と、
   高純度液化酸素を第２蒸留塔から製品高純度液化酸素として導出する工程と、
   を含む空気分離方法。
2. 空気蒸留通路の一部が空気凝縮通路とされた熱交換型蒸留器を用い、
   第１原料空気を、空気蒸留通路に導入する前に、空気凝縮通路において酸素蒸留通路を流れる流体との熱交換により冷却して部分液化し、気相と液相とに分離した後、気相を空気蒸留通路に導入し、液相を第１酸素富化液化空気に合流させる工程を含む請求項１記載の空気分離方法。
3. 第１酸素富化液化空気と第１液化空気と第１液化窒素を第１蒸留塔に導入する前に、第２窒素ガスと熱交換する工程を含む請求項１記載の空気分離方法。
4. 第２原料空気を、主熱交換器に導入する前に圧縮する工程を含む請求項１記載の空気分離方法。
5. 第１窒素ガスの一部を、製品中圧窒素ガスとして得る工程を含む請求項１記載の空気分離方法。
6. 空気を低温蒸留して酸素及び窒素を得るための空気分離装置であって、
   空気蒸留通路と酸素蒸留通路とを有する熱交換型蒸留器、凝縮蒸発器を有する第１蒸留塔、酸素蒸発器を有する第２蒸留塔および主熱交換器を備え、
   主熱交換器は、第１原料空気及び第２原料空気を、第１蒸留塔からの第２窒素ガス及び第２蒸留塔からの低純度酸素ガスで冷却し、
   空気蒸留通路は、酸素蒸留通路と熱的に結合されており、主熱交換器で冷却された第１原料空気を蒸留し、第１窒素ガスと第１酸素富化液化空気とに分離し、
   凝縮蒸発器は、第１蒸留塔の塔底部において、塔底液と熱交換することにより、空気蒸留通路からの第１窒素ガスを液化して第１液化窒素とし、
   酸素蒸発器は、第２蒸留塔の塔底部において、間接的熱交換により、塔底液の一部を第２蒸留塔の上昇ガスとし、主熱交換器からの第２原料空気を第１液化空気とし、
   第１蒸留塔は、凝縮蒸発器からの第１液化窒素と、酸素蒸発器からの第１液化空気と、空気蒸留通路からの第１酸素富化液化空気とを蒸留によって第２窒素ガスと第２酸素富化液化空気とに分離し、
   酸素蒸留通路は、空気蒸留通路と熱的に結合されており、第１蒸留塔からの第２酸素富化液化空気を蒸留によって第２酸素富化空気と第３酸素富化液化空気とに分離し、第２酸素富化空気は第１蒸留塔に返送し、
   第２蒸留塔は、酸素蒸留通路からの第３酸素富化液化空気を蒸留によって低純度酸素ガスと高純度液化酸素とに分離するものである空気分離装置。
7. 前記熱交換型蒸留器が、空気蒸留通路及び空気凝縮通路と、これらと熱的に結合した酸素蒸留通路とを有するととも空気凝縮通路の下流側に気液分離器を備えており、
   空気凝縮通路は、主熱交換器からの第１原料空気を全量導入して、その一部を液化し、
   気液分離器は、空気凝縮通路で凝縮された流体を気液分離し、液体を第１酸素富化液化空気に合流させる経路と、気体を空気蒸留通路へ送る経路とを有するものである請求項６記載の空気分離装置。
8. 第１蒸留塔からの第２窒素ガスによって、前記凝縮蒸発器からの第１液化窒素、空気蒸留通路からの第１酸素富化液化空気および酸素蒸発器からの第１液化空気を冷却する過冷器を有する請求項６記載の空気分離装置。
9. 前記第２原料空気をさらに圧縮する二次空気圧縮機を備えた請求項６記載の空気分離装置。
10. 前記第１窒素ガスの一部を製品中圧窒素ガスとして導出する経路を備えた請求項６記載の空気分離装置。

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