JP5244491B2 - 空気分離装置 - Google Patents

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Description

本発明は、酸素ガスの需要変動が大きいユーザー等に対してもその需要変動に対応することのできる空気分離装置に関するものである。
従来、電炉等の、夜間電力消費型のユーザーに酸素ガスを供給する場合、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）装置を用いることが多く、深冷液化分離型の空気分離装置（以下「空気分離装置」と略す）を用いることは少なかった。ＰＳＡ装置は、起動・停止が容易で、立上げ時間も短いため、夜間等、酸素ガスが必要な時間帯にのみ運転することが可能であるのに対し、上記空気分離装置は起動に時間がかかるため、上記必要な時間帯にのみ酸素ガスを発生させることが困難であるからである。一方、ＰＳＡ装置では、酸素純度が低純度（９３％程度）の製品しか得られないため、ユーザーに高純度（９９．６％程度）の製品を供給することは困難である。そこで、高純度の酸素を要求するユーザーに対しては、空気分離装置が用いられているが、ユーザーの酸素需要の変動にスムーズに対応するため、各種の空気分離装置が提案されている。
このような空気分離装置の一つとして、図４に示す空気液化分離装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この空気液化分離装置は、下部塔５０，上部塔５１，液体酸素貯槽５２等を備え、酸素の減量運転の場合には、上部塔５１から取り出された製品酸素ガスの一部が取出管５３から抜き取られて液体状態で液体酸素貯槽５２に貯留される。一方、酸素の増量運転の場合には、液体酸素貯槽５２内の液体酸素が気体状態で取り出されて取出管５３に供給され、この取出管５３内の製品酸素ガスに合流されるようになっている。
また、他の例として、図５に示すような空気液化分離装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この空気液化分離装置は、下部塔５４と、上部塔５５と、この上部塔５５から取り出された酸素ガスをユーザーに供給する酸素ガス供給経路５６と、液体酸素貯槽５７等を備え、酸素ガスの需要が最大の場合を定格とし、酸素ガスの需要量が減少した場合にのみ、この減少に応じた余剰分が酸素ガス供給経路５６から抜き取られて液体状態で液体酸素貯槽５７に貯留されるようになっている。
さらに、空気分離装置の起動時間を短縮する方法も、様々に提案されているが（例えば、特許文献３参照）、ＰＳＡ装置と比較すると、未だ起動に多くの時間を要しているのが現状である。
特開昭６１−２３１３８０号公報 特開平３−６７９８３号公報 特開平２−２７９９７８号公報
しかも、上記の装置等は、酸素需要の変動に対応できるものの、この変動に、ユーザーへの酸素供給の増減で対応しているため、その変動幅は比較的小さい。したがって、酸素需要が、０％から１００％への急激な増加、あるいは反対に１００％から０％への急激な減少、というように大きな変動となる場合には、対応することができないと考えられる。
例えば、特許文献１の空気液化分離装置では、その精留条件を一定の状態に保持できるものの、その実施例に記載されているように、酸素ガスの需要変動が最大量１５，０００ｍ3 ／時、最小量５，０００ｍ3 ／時であり、最小量が０（ゼロ）になることは、予想していない。また、需要量の変動も３３．３〜１００％に留まっている。
また、特許文献２の空気液化分離装置でも、その精留条件を一定の状態に保持できるものの、特許文献１の空気液化分離装置と同様に、酸素ガスの需要量の変動が３３．３〜１００％に留まっており、最小量が０（ゼロ）になることは、予想していない。
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、酸素需要が０％から１００％、あるいは反対に１００％から０％、というように大きく変動する場合にも対応することができる空気分離装置の提供をその目的とする。
上記の目的を達成するため、本発明の空気分離装置は、外部から取り入れた原料空気を沸点差を利用して深冷液化分離し液体酸素および窒素ガスを製造する精留塔と、上記精留塔で製造された液体酸素を上記精留塔から取り出す液体酸素取出路と、この液体酸素取出路により取り出された液体酸素を溜める液体酸素貯留タンクと、上記精留塔で製造された窒素ガスを上記精留塔から取り出す窒素ガス取出路と、この窒素ガス取出路により取り出された窒素ガスを液化する液化手段と、上記窒素ガス取出路に取り付けられた放出弁と、上記液体酸素貯留タンクに溜まる液体酸素を取り出して上記液化手段に冷媒として供給する供給手段と、上記液化手段で気化した酸素ガスを取り出す酸素ガス取出路と、上記液化手段として、熱交換器と、上記窒素ガス取出路により取り出された窒素ガスを圧縮する窒素ガス圧縮機と、上記窒素ガス圧縮機で圧縮された窒素ガスを熱交換器に導入する窒素ガス導入路と、上記熱交換器内を通る窒素ガスの一部を取り出して寒冷を発生させる膨張タービンと、上記膨張タービンで発生した寒冷および熱交換器を経由した窒素ガスの残部を貯留するフラッシュドラムと、上記フラッシュドラム内の寒冷を上記熱交換器に供給する寒冷供給路と、上記フラッシュドラム内の寒冷を液体窒素貯槽を経由して上記精留塔に供給する液体窒素供給パイプと、上記窒素ガス導入路から分岐して、上記圧縮された窒素ガスを熱交換器を経由してフラッシュドラムに供給する窒素ガス供給路と、この窒素ガス供給路に設けられた切換弁と、を備え、酸素ガスの需要に応じて、上記供給手段と上記切換弁および放出弁により、下記（Ａ）の酸素ガス供給状態と下記（Ｂ）の酸素ガス供給停止状態のいずれかに切り換え可能になっている構成をとる。
（Ａ）上記供給手段を用いて、上記液体酸素貯留タンク内の液体酸素を上記液化手段の熱交換器に供給し、上記窒素ガス取出路の放出弁を閉じて、上記窒素ガス供給路の切換弁を開けることにより、上記精留塔から取り出された窒素ガスの全量を、上記窒素ガス圧縮機で圧縮した後、上記液化手段の窒素ガス導入路および窒素ガス供給路を通じて、上記熱交換器に導入するとともに、上記熱交換器内で、上記液体酸素および寒冷供給路内の寒冷と、上記窒素ガス導入路内および窒素ガス供給路内の窒素ガスとを熱交換させることにより、上記窒素ガスを液化させ液体酸素を気化させて、必要量の酸素ガスを外部に供給する酸素ガス供給状態。
（Ｂ）上記液体酸素の供給手段を停止し、上記窒素ガス取出路の放出弁を開放し、窒素ガス供給路の切換弁を閉じることにより、上記精留塔から取り出された窒素ガスの一部を、上記液化手段の窒素ガス導入路を通じて上記熱交換器に導入し、この窒素ガスと上記寒冷供給路内の寒冷とを熱交換させるとともに、上記精留塔から取り出された窒素ガスのうち、上記液化手段で使用されない残余の窒素ガスを、上記窒素ガス取出路の放出弁から外部に放出する酸素ガス供給停止状態。
本発明の空気分離装置は、外部から取り入れた原料空気を沸点差を利用して深冷液化分離し液体酸素および窒素ガスを製造する精留塔を備えており、この精留塔で常時製造される液体酸素を、この精留塔から液体酸素取出路により常時取り出して液体酸素貯留タンクに送り、ここに溜めるようにしている。
また、本発明の空気分離装置は、上記精留塔で製造された窒素ガスを上記精留塔から取り出す窒素ガス取出路と、この窒素ガス取出路により取り出された窒素ガスを液化する液化手段と、上記窒素ガス取出路により取り出された窒素ガスのうち上記液化手段に供給されなかった残部の窒素ガスを外部に放出する放出弁と、上記液体酸素貯留タンクに溜まる液体酸素を取り出して上記液化手段に冷媒として供給する供給手段と、上記液化手段で気化した酸素ガスを取り出す酸素ガス取出路とを備え、上記液化手段として、熱交換器と、上記窒素ガス取出路により取り出された窒素ガスを圧縮する窒素ガス圧縮機と、上記窒素ガス圧縮機で圧縮された窒素ガスを熱交換器に導入する窒素ガス導入路と、上記熱交換器内を通る窒素ガスの一部を取り出して寒冷を発生させる膨張タービンと、上記膨張タービンで発生した寒冷および熱交換器を経由した窒素ガスの残部を貯留するフラッシュドラムと、上記フラッシュドラム内の寒冷を上記熱交換器に供給する寒冷供給路と、上記フラッシュドラム内の寒冷を液体窒素貯槽を経由して上記精留塔に供給する液体窒素供給パイプと、上記窒素ガス導入路から分岐して、上記圧縮された窒素ガスを熱交換器を経由してフラッシュドラムに供給する窒素ガス供給路と、この窒素ガス供給路に設けられた切換弁とを備え、上記精留塔で常時製造される窒素ガスを、この精留塔から、窒素ガス取出路により常時取り出すようにしている。
さらに、上記空気分離装置は、上記供給手段と上記切換弁および放出弁により、酸素ガスの需要に応じて、（Ａ）上記液体酸素貯留タンク内の液体酸素を、上記供給手段を用いて上記液化手段の熱交換器に供給し、上記窒素ガス取出路の放出弁を閉じて、上記窒素ガス供給路の切換弁を開けることにより、上記精留塔から取り出された窒素ガスの全量を、上記窒素ガス圧縮機で圧縮した後、上記液化手段の窒素ガス導入路および窒素ガス供給路を通じて、上記熱交換器に導入するとともに、上記熱交換器内で、上記液体酸素および寒冷供給路内の寒冷と、上記窒素ガス導入路内および窒素ガス供給路内の窒素ガスとを熱交換させることにより、上記窒素ガスを液化させ液体酸素を気化させて、必要量の酸素ガスを外部に供給する酸素ガス供給状態と、（Ｂ）上記液体酸素の供給手段を停止し、上記窒素ガス取出路の放出弁を開放し、窒素ガス供給路の切換弁を閉じて、上記精留塔から取り出された窒素ガスの一部を、上記液化手段の窒素ガス導入路を通じて上記熱交換器に導入し、この窒素ガスと上記寒冷供給路内の寒冷とを熱交換させるとともに、上記精留塔から取り出された窒素ガスのうち、上記液化手段で使用されない残余の窒素ガスを、上記窒素ガス取出路の放出弁から外部に放出する酸素ガス供給停止状態とを、交互に切り換え可能になっている。
したがって、精留条件を一定に保持した状態で精留塔を運転し、一定量の液体酸素を精留塔から常時取り出して液体酸素貯留タンクに溜めるとともに、一定量の窒素ガスを精留塔から常時取り出すことができ、液体酸素，窒素ガスがいつでも利用可能な状態にある。そこで、酸素ガスが必要なときに、上記液体酸素貯留タンク内の液体酸素を供給手段により液化手段に供給し、この液化手段内の窒素ガスと熱交換させ、液体酸素の冷熱により窒素ガスを液化させて液体窒素を生成させるとともに、窒素ガスの温熱により液体酸素を気化させて必要量の酸素ガスを生成させ、この生成させた酸素ガスを酸素ガス取出路により取り出して、上記需要に対応できるようにしている。
このため、本発明の空気分離装置では、酸素ガスの需要がない（需要０％）ときには、液体酸素を液体酸素貯留タンクに溜めておくだけにし、需要があるときには、その需要が１００％である場合にも、その需要に相当する量の液体酸素を液化手段に供給し、この液化手段での熱交換作用により必要量の酸素ガスを生成させることで、スムーズに対応することができる。したがって、酸素需要が０％から１００％、あるいは反対に１００％から０％、というように大きく変動するユーザー等にも対応することができる。しかも、精留塔で常時製造される液体酸素を液体酸素貯留タンクに溜めるようにしているため、液体酸素貯留タンクに需要量以上の液体酸素が貯留した場合は、タンクローリー等で他のユーザーへ供給することも可能であり、余剰の酸素ガスや液体酸素が発生しなくなる。
しかも、本発明の空気分離装置は、上記液化手段が、上記窒素ガス取出路により取り出された窒素ガスを導入する熱交換器と、この熱交換器内を通る窒素ガスの一部を取り出して寒冷を発生させる膨張タービンと、この膨張タービンで発生した寒冷を上記熱交換器に供給する寒冷供給路とを備えているため、簡単な構造で窒素ガスの寒冷を得ることができる。このものでは、酸素ガスの需要の有無に関わらず、膨張タービンに対する窒素ガスの流量を一定にすることで、流量変動が好ましくない膨張タービンの運転の安全性が向上する。
さらに、本発明の空気分離装置は、上記液化手段が、上記窒素ガス取出路により取り出された窒素ガスを圧縮して熱交換器に供給する窒素ガス圧縮機と、この窒素ガス圧縮機に供給されなかった残部の窒素ガスを外部に放出する放出弁とを備えていることから、窒素ガス圧縮機の流量もしくは吐出圧力を変化させることで、上記需要変動に対応することができる。なお、本発明の空気分離装置において、上記液化手段のフラッシュドラムと液体窒素貯槽の間に、この液体窒素貯槽内の液面高さを調節する液面調節弁が配設されているものは、上記液化手段内を循環する窒素ガスの量が安定し、上記膨脹タービンに対する窒素ガスの流量がより安定するとともに、上記液体窒素供給パイプを通じた精留塔への寒冷（液体窒素）の供給も安定するため、好ましい。
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。ただし、本発明は、この実施の形態に限定されるわけではない。
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、上記空気分離装置は、夜間電力消費型のユーザーに酸素ガスを供給するものである。図１において、空気分離部１は、外部より取り入れた原料空気を各成分の沸点差を利用して深冷液化分離し液体酸素および窒素ガスを製造するための空気分離用セクションであり、従来公知の装置が用いられている。例えば、この実施の形態では、上記空気分離部１は、外部より取り入れた原料空気を圧縮する原料空気圧縮機と、この原料空気圧縮機によって圧縮された圧縮空気中の不純分を除去する不純分除去手段と、この不純分除去手段を経た圧縮空気を冷却する主熱交換器と、この主熱交換器を経由し低温に冷却された圧縮空気を各成分の沸点差を利用して深冷液化分離し酸素を液体状態で取り出し窒素を気体状態で取り出す精留塔等（それぞれ図示せず）を備えており、外部から寒冷として液体窒素を精留塔に供給するようにしている。
上記精留塔は、制御手段により、精留条件が一定に保持された状態で運転されており、ここで、所定濃度，所定量の液体酸素および窒素ガスが常時製造されている。
液体酸素取出路２は、上記精留塔で常時製造される液体酸素を、上記精留塔から常時取り出して液体酸素貯槽（液体酸素貯留タンク）３に送給し、この液体酸素貯槽３に溜める。酸素需要時は、この液体酸素貯槽３に貯留した液体酸素から取り出され、供給される。なお、酸素の需要が、液体酸素貯槽３に貯留した液体酸素量よりも少ない場合は、タンクローリー等で他のユーザーへ供給することも可能である。
液体酸素供給ポンプ（供給手段）４は、上記液体酸素貯槽３に溜まる液体酸素を所定量取出し、液体酸素供給路６により後述する熱交換器１７に供給する。この実施の形態では、上記液体酸素供給ポンプ４は、その駆動や各種駆動条件を制御する制御手段により、酸素需要がある（この実施の形態では、酸素需要１００％である）夜間に駆動し、酸素需要がない（すなわち、酸素需要０％である）昼間には駆動しない（切り換え手段）。また、駆動時における液体酸素供給ポンプ４の吐出量は、一定に設定されており、ユーザーでの酸素需要１００％に対応する液体酸素量に設定されている。
一方、窒素ガス取出路１０は、上記精留塔で常時製造される窒素ガスを、上記精留塔から常時取り出すものであり、窒素ガス液化路１１と、放出弁１３を備えた窒素ガス放出路１２とに分岐している。
上記放出弁１３は、酸素需要がない場合に開弁し、上記窒素ガス取出路１０により取り出された窒素ガスのうち、上記窒素ガス放出路１２に送給された窒素ガスを系外に放出する。このため、窒素ガス取出路１０により取り出された窒素ガスの残部が窒素ガス液化路１１に送給される。一方、酸素需要がある場合には閉弁し、これにより、上記窒素ガス取出路１０により取り出された窒素ガスの全量が窒素ガス液化路１１に送給される（切り換え手段）。
一方、上記液化路１１には、第１および第２の循環窒素圧縮機１４ａ，１４ｂを備えた循環窒素圧縮機１４，窒素ガス導入路１５，窒素ガス供給路１６、熱交換器１７，フラッシュドラム１８，膨張タービン１９等の液化手段が設けられている。また、上記循環窒素圧縮機１４は、その駆動や各種駆動条件を制御する圧縮機制御手段を備えている。
上記窒素ガス導入路１５は、上記循環窒素圧縮機１４で圧縮された窒素ガスを熱交換器１７に供給したのちフラッシュドラム１８に導入する。膨張弁２０は、上記窒素ガス導入路１５の、熱交換器１７より下流側部分に設けられており、常時作動するようになっている。上記窒素ガス供給路１６は、上記窒素ガス導入路１５の、熱交換器１７より上流側部分から分岐しており、上記窒素ガス導入路１５内を通る窒素ガスの一部を熱交換器１７に供給したのちフラッシュドラム１８に導入する。上記窒素ガス供給路１６への供給量は、酸素需要がない場合に上記放出弁１３から放出する窒素ガス量と同量に設定されている。膨張弁２１は、上記窒素ガス供給路１６の、熱交換器１７より下流側部分に設けられており、酸素需要がある場合にだけ開弁するようになっている（切り換え手段）。したがって、上記窒素ガス供給路１６には、酸素需要がない場合には窒素ガスが供給されない。

上記膨張タービン１９は、上記熱交換器１７内を通過する窒素ガス導入路１５内の窒素ガスを熱交換器１７外に導出路２２により取り出して寒冷用窒素ガスを発生させる。この膨張タービン１９で発生させた寒冷用窒素ガスは、フラッシュドラム１８に導入されたのち、戻し路２３を経由して循環窒素圧縮機１４に還流されるようになっている。
上記戻し路２３は、上記フラッシュドラム１８の上部に溜まる窒素ガスを熱交換器１７に導入したのち循環窒素圧縮機１４に戻す。液体窒素送給路２５は、上記フラッシュドラム１８の下部に溜まる液体窒素を液体窒素貯槽２６に送給する。この液体窒素貯槽２６に貯留される液体窒素は、製品として出荷されたり、上記精留塔にその寒冷として液体窒素供給パイプ２８により供給されたりする。流量調整弁２４は上記窒素ガス液化路１１に供給する窒素ガス量を調節する。液面調節弁２７は、上記液体窒素送給路２５に設けられ、液体窒素貯槽２６内の液面を調節する。
上記熱交換器１７は、窒素ガス液化路１１に送給された窒素ガスを液化する。より詳しく説明すると、酸素需要がない場合には、窒素ガス導入路１５内の窒素ガスと、戻し路２３内の寒冷とを熱交換させることにより、窒素ガスを液化してフラッシュドラム１８に供給する。また、酸素需要がある場合には、液体酸素貯槽３から液体酸素供給路６，液体酸素供給ポンプ４を経由して供給された液体酸素と、窒素ガス供給路１６内の窒素ガスと、窒素ガス導入路１５内の窒素ガスと、戻し路２３内の寒冷を熱交換させることにより、液体酸素を窒素ガスの温熱でガス化して流量調節弁８付き酸素ガス取出路７に送り出し、需要先に供給するとともに、窒素ガスを液体酸素の冷熱で液化してフラッシュドラム１８に供給する。
上記の構成において、酸素需要が０％である場合には、図１（この図１で、点線で示す部分には、液体酸素，窒素ガスが供給されていない）に示すように、上記精留塔から常時取り出される液体酸素は液体酸素貯槽３に送給されここに溜められている。また、液体酸素供給ポンプ４は駆動していないため、液体酸素貯槽３内の液体酸素は熱交換器１７に供給されていない。一方、上記精留塔から常時取り出される窒素ガスは、その大部分が窒素ガス液化路１１に送給されているものの、残部は放出弁１３により系外に放出されている。また、上記窒素ガス液化路１１に送給された窒素ガスは全て窒素ガス導入路１５に供給されている。
この状態で、上記窒素ガス導入路１５に供給された窒素ガスの全量が熱交換器１７に送給され、この熱交換器１７内で、戻し路２３内の寒冷により冷却されて液化されたのち、フラッシュドラム１８に導入される。そして、フラッシュドラム１８の上部に溜まる窒素ガスは、戻し路２３により熱交換器１７を経て循環窒素圧縮機１４に戻り、下部に溜まった液体窒素は液体窒素送給路２５により液体窒素貯槽２６に送給されて貯留される。
一方、酸素需要がある場合には、図２に示すように、上記精留塔から常時取り出される液体酸素は液体酸素貯槽３に溜められている。また、液体酸素供給ポンプ４が駆動しており、液体酸素貯槽３内の液体酸素は所定量だけ熱交換器１７に供給されている。そして、上記放出弁１３からは窒素ガスが放出されていない。したがって、上記精留塔から取り出される窒素ガスの全量が窒素ガス液化路１１に供給され、その大部分が窒素ガス導入路１５を通って熱交換器１７に供給されるものの、膨張弁２１は開弁しているため、窒素ガスの残部は窒素ガス供給路１６を通って熱交換器１７に供給されている。
そして、この熱交換器１７内では、上述したように、液体酸素と、戻し路２３内の寒冷と、窒素ガス導入路１５，窒素ガス供給路１６内の窒素ガスとが熱交換され、液体酸素が窒素ガスの温熱でガス化されて需要先に供給される。一方、窒素ガスが液体酸素の冷熱で液化されたのち、フラッシュドラム１８に導入され、その下部に溜まった液体窒素が液体窒素貯槽２６に送給されて貯留される。
このように、上記実施の形態の空気分離装置は、酸素需要が０％から一気に１００％に大きく変動するユーザーにも対応することができる。しかも、空気分離部１は一定の精留条件で運転される。さらに、窒素ガス導入路１５を通る窒素ガス量が昼間と夜間で同じであるため、膨張タービン１９の導入される窒素ガス量等のタービン条件が昼間と夜間で変化せず、膨張タービン１９の運転条件が一定状態に保持されるため、その運転が容易になる。
なお、この実施の形態では、電炉等の、夜間電力消費型のユーザーに酸素ガスを供給しているが、これに限定するものではなく、酸素ガスを供給する時間，時期はいつでもよく、また、この時間，時期を一定に設定してもよいし、需要があったときに、その都度設定することも可能である。また、酸素ガスの供給量も適宜設定可能であり、一定量に設定してもよく、また需要があったときに、その需要量に合わせて供給することも可能である。
図３は上記空気分離部１の一例を示している。この図３において、圧縮機３１は外部から取り入れた原料空気を圧縮する。ミストセパレータ３２は上記圧縮機３１を経由した原料空気から水分を分離する。前処理ユニット３３は２個一組の吸着塔（図示せず）を備えており、これら両吸着塔で、上記ミストセパレータ３２を経由した原料空気から水分および炭酸ガス（不純分）を吸着除去する。主熱交換器３４には、上記前処理ユニット３３を経由した原料空気が原料空気送給路３５により送り込まれ、極低温に冷却される。
高圧塔３６では、主熱交換器３４を経由して送り込まれた原料空気がさらに冷却され、原料空気中の各成分の沸点差を利用して深冷液化分離され、原料空気中の高沸点成分の酸素が液化されて液体空気３８として底部に溜まり、低沸点成分の窒素が気体状態で頂部から取り出される。
第１還流液パイプ３９は、上記高圧塔３６の頂部から取り出した高純度窒素ガスを、低圧塔３７の主凝縮器４１に送り込む。第１還流液パイプ３９で主凝縮器４１に送り込まれた高純度窒素ガスは液化され、その一部が第２還流液パイプ４０を経て高圧塔３６の頂部に還流されるとともに、残部が流量調整弁４２ａ付き導入パイプ４２により主熱交換器３４に導入され、ここで冷却されたのち、液体窒素供給パイプ２８を介して低圧塔３７の頂部に導入される。この液体窒素供給パイプ２８（図１、図２における液体窒素供給パイプ２８に相当する）は上記低圧塔３７の頂部に寒冷として液体窒素を供給する。
膨張弁４３ａ付き液体空気取出パイプ４３は上記高圧塔３６の底部に溜まる液体空気３８を主熱交換器３４を経て低圧塔３７に送り込む。そして、上記低圧塔３７においても、高圧塔３６と同様に深冷液化分離が行われ、液体空気３８中の酸素が液化されて液体酸素４４として底部に溜まり、窒素が気体状態で頂部から取り出される。
上記低圧塔３７の底部に溜まる液体酸素４４中には主凝縮器４１が浸漬されており、上記のように、この主凝縮器４１により、上記高圧塔３６の頂部から取り出された高純度窒素ガスが液化されるとともに、主凝縮器４１の周囲にある液体酸素４４が加熱されて蒸発され、低圧塔３７内に上昇ガスが生成される。そして、この上昇ガスと、低圧塔３７の頂部から流下する高純度液体窒素と、低圧塔３７に供給される液体空気３８とが接触することにより精留され、底部に液体酸素４４が溜まり、頂部から高純度窒素ガスが取り出される。
流量調整弁２ａ付き液体酸素取出路２（上記実施の形態における、液体酸素取出路２に相当する）は上記低圧塔３７の底部に溜まる液体酸素４４を取り出したのち、液体酸素貯槽３（図１および図２参照）に溜める。窒素ガス取出パイプ１０（上記実施の形態における、窒素ガス取出路１０に相当する）は上記低圧塔３７の頂部から高純度窒素ガスを取り出し、主熱交換器３４に通して常温まで加温したのち、窒素ガス液化路１１，窒素ガス放出路１２に送給する。排ガス取出パイプ４６は上記低圧塔３７の中間部から延びており、低圧塔３７の中間部のガスを取り出し、主熱交換器３４に導入したのち、前処理ユニット３３の吸着塔の再生ガスとして供給し大気に放出する。コールドボックス４７はその内部を真空断熱状態に保持する。
上記の構成において、例えば、つぎのようにして液体酸素と窒素ガスが製造される。すなわち、まず、原料空気が圧縮機３１に取り入れられて圧縮され、ミストセパレータ３２で原料空気中の水分が分離され、前処理ユニット３３で原料空気中の水分および炭酸ガスが吸着除去される。ついで、水分および炭酸ガスが吸着除去された原料空気が主熱交換器３４内に送り込まれて極低温に冷却され、高圧塔３６の下部に投入される。つぎに、この投入された原料空気が、主凝縮器４１を経由して高圧塔３６の頂部に戻される還流液と向流的に接触して冷却され、その一部が液化されて高圧塔３６の底部に液体空気３８として溜められる。この液体空気３８が低圧塔３７内に送り込まれて主凝縮器４１が冷却される。この冷却により、高圧塔３６の頂部から主凝縮器４１に送り込まれた高純度窒素ガスが液化され、この高純度液体窒素の一部が還流液となり高圧塔３６の頂部に戻るとともに、残部が主熱交換器３４で冷却されたのち、低圧塔３７の頂部に、液体窒素供給パイプ２８により供給される液体窒素とともに供給される。そして、上記のように、高圧塔３６内において、酸素が液化されて流下し、窒素が気体のまま高圧塔３６の頂部に残る。
一方、低圧塔３７では、その底部に溜まる液体酸素４４から生成される上昇ガスが、高純度液体窒素および液体空気３８と向流的に接触して冷却される。そして、この冷却の過程において、上記のように、酸素が液化されて流下し、低圧塔３７の底部に液体酸素４４として溜まり、主凝縮器４１を冷却するとともに、液体酸素取出路２により取り出されて液体酸素貯槽３に溜められる。また、窒素が気体のまま低圧塔３７の頂部から取り出されて主熱交換器３４に送り込まれ、常温近くまで昇温されて窒素ガス取出パイプ１０により取り出される。
なお、上記実施の形態では、酸素需要のある場合には、循環窒素圧縮機１４の流量を変化させることで対応しているが、吐出圧力を変化させることで対応してもよい。
本発明の空気分離装置の一実施の形態を示す構成図である。 上記空気分離装置の作用を示す構成図である。 空気分離部の一例を示す構成図である。 従来例を示す構成図である。 他の従来例を示す構成図である。
符号の説明
３ 液体酸素貯槽
４ 液体酸素供給ポンプ
１７ 熱交換器

Claims (2)

  1. 外部から取り入れた原料空気を沸点差を利用して深冷液化分離し液体酸素および窒素ガスを製造する精留塔と、上記精留塔で製造された液体酸素を上記精留塔から取り出す液体酸素取出路と、この液体酸素取出路により取り出された液体酸素を溜める液体酸素貯留タンクと、上記精留塔で製造された窒素ガスを上記精留塔から取り出す窒素ガス取出路と、この窒素ガス取出路により取り出された窒素ガスを液化する液化手段と、上記窒素ガス取出路に取り付けられた放出弁と、上記液体酸素貯留タンクに溜まる液体酸素を取り出して上記液化手段に冷媒として供給する供給手段と、上記液化手段で気化した酸素ガスを取り出す酸素ガス取出路と、
    上記液化手段として、熱交換器と、上記窒素ガス取出路により取り出された窒素ガスを圧縮する窒素ガス圧縮機と、上記窒素ガス圧縮機で圧縮された窒素ガスを熱交換器に導入する窒素ガス導入路と、上記熱交換器内を通る窒素ガスの一部を取り出して寒冷を発生させる膨張タービンと、上記膨張タービンで発生した寒冷および熱交換器を経由した窒素ガスの残部を貯留するフラッシュドラムと、上記フラッシュドラム内の寒冷を上記熱交換器に供給する寒冷供給路と、上記フラッシュドラム内の寒冷を液体窒素貯槽を経由して上記精留塔に供給する液体窒素供給パイプと、上記窒素ガス導入路から分岐して、上記圧縮された窒素ガスを熱交換器を経由してフラッシュドラムに供給する窒素ガス供給路と、この窒素ガス供給路に設けられた切換弁と、を備え、
    酸素ガスの需要に応じて、上記供給手段と上記切換弁および放出弁により、下記（Ａ）の酸素ガス供給状態と下記（Ｂ）の酸素ガス供給停止状態のいずれかに切り換え可能になっていることを特徴とする空気分離装置。
    （Ａ）上記供給手段を用いて、上記液体酸素貯留タンク内の液体酸素を上記液化手段の熱交換器に供給し、上記窒素ガス取出路の放出弁を閉じて、上記窒素ガス供給路の切換弁を開けることにより、上記精留塔から取り出された窒素ガスの全量を、上記窒素ガス圧縮機で圧縮した後、上記液化手段の窒素ガス導入路および窒素ガス供給路を通じて、上記熱交換器に導入するとともに、上記熱交換器内で、上記液体酸素および寒冷供給路内の寒冷と、上記窒素ガス導入路内および窒素ガス供給路内の窒素ガスとを熱交換させることにより、上記窒素ガスを液化させ液体酸素を気化させて、必要量の酸素ガスを外部に供給する酸素ガス供給状態。
    （Ｂ）上記液体酸素の供給手段を停止し、上記窒素ガス取出路の放出弁を開放し、窒素ガス供給路の切換弁を閉じることにより、上記精留塔から取り出された窒素ガスの一部を、上記液化手段の窒素ガス導入路を通じて上記熱交換器に導入し、この窒素ガスと上記寒冷供給路内の寒冷とを熱交換させるとともに、上記精留塔から取り出された窒素ガスのうち、上記液化手段で使用されない残余の窒素ガスを、上記窒素ガス取出路の放出弁から外部に放出する酸素ガス供給停止状態。
  2. 上記液化手段のフラッシュドラムと液体窒素貯槽の間に、この液体窒素貯槽内の液面高さを調節する液面調節弁が配設されている請求項１記載の空気分離装置。
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