JP5415192B2 - 空気の成分分離方法および装置 - Google Patents

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Description

本発明は、深冷分離法を用いて空気を成分分離する方法および装置に関する。
深冷分離法は、混合気体を液化点に近い温度まで深冷し、深冷された混合気体を精留して成分分離する方法であり、この深冷分離法を利用して空気を成分分離する技術として、特許文献１，２に示されるような技術が知られている。しかし、特許文献１，２に示される技術は、上部塔と下部塔からなる２塔式の精留塔を用いるものであり、この方式は、圧力の違いによる沸点差を利用することで、上部塔と下部塔で熱交換し、還流液を作り出すことで蒸留している。そのため２塔の精留塔が必要となり、精留塔の構造が複雑となるだけでなく設備コストが増大するなどの欠点がある。
一方、特許文献３には、１塔式の精留塔を用い、原料空気を所定の圧力に圧縮して精留塔に供給するとともに、精留塔から取り出された窒素ガスの一部を液化し、この液体窒素を精留塔に還流させるようにした技術が提案されている。
特開２００３−２１４５７号公報 特開２００８−２２４１８６号公報 特開平８−２２６７５９号公報
この特許文献３に示される技術では、精留塔から取り出された窒素ガスの一部を液化するのに、冷媒（循環窒素ガス）を循環させる冷却手段（還流液製造手段）を用い、その冷媒との熱交換により窒素ガスを冷却・液化している。しかし、このような方式では、冷媒（循環窒素ガス）を冷却するために必要な熱源は外部から投入されている。ガスを液化するため必要な熱エネルギー量は顕熱に比べて非常に大きく、極低温の熱源を作り出すためには多大な動力を必要とするため、処理コストが高くなる欠点がある。
したがって本発明の目的は、以上のような従来技術の課題を解決し、深冷分離法による空気の成分分離方法であって、精留塔から取り出された窒素ガスの一部を液化し、これを精留塔に還流させる方式の成分分離方法において、少ない動力で経済的な処理を行うことができる方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、そのような空気の成分分離方法の実施に好適な装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明の空気の成分分離方法および装置は、精留塔から取り出された流体の断熱圧縮および断熱膨張と流体相互の熱交換を利用して、精留塔から取り出された窒素ガスの一部を還流用に液化させるための冷却を行い、さらに必要に応じて、これに付随した流体の温度及び圧力制御を行うようにしたものであり、以下を要旨とするものである。
［1］圧縮された原料空気を深冷した後、精留塔で精留して成分分離する方法であって、前記精留塔から取り出された窒素ガスの一部を液化し、この液体窒素を前記精留塔に還流させるようにした空気の成分分離方法において、
前記精留塔から取り出された窒素ガスの一部を断熱圧縮して温度及び圧力を上昇させる工程（Ａ）と、
前記精留塔から取り出された液体酸素の一部を断熱膨張させて温度及び圧力を低下させる工程（Ｂ）と、
前記工程（Ａ）を経た窒素と前記工程（Ｂ）を経た酸素を熱交換器で熱交換させることで、窒素を冷却する工程（Ｃ）と、
前記工程（Ｃ）を経た酸素を冷却する工程（Ｅ）を有し、
前記工程（Ｃ）を経た窒素を、液化した状態で精留塔に還流するとともに、前記工程（Ｅ）を経て冷却された酸素を精留塔に送ることを特徴とする空気の成分分離方法。
［2］上記［1］の成分分離方法において、工程（Ｃ）を経た窒素をさらに冷却する工程（Ｄ）を有し、これら工程（Ｃ）および工程（Ｄ）を経て液化された窒素を精留塔に還流することを特徴とする空気の成分分離方法。
［3］上記［2］の成分分離方法において、工程（Ｄ）では、窒素を断熱膨張させて温度及び圧力を低下させた後、さらに熱交換器で熱交換して冷却することを特徴とする空気の成分分離方法。
［4］上記［1］〜［3］のいずれかの成分分離方法において、工程（Ｅ）では、酸素を断熱圧縮して昇圧した後、熱交換器で熱交換して冷却することを特徴とする空気の成分分離方法。
［5］上記［1］〜［4］のいずれかの空気の成分分離方法を用い、少なくとも酸素と窒素を製造することを特徴とする気体の製造方法。
［6］原料空気の圧縮手段（ｘ）と、該圧縮手段（ｘ）で圧縮された原料空気を、精留塔から取り出された窒素および／または酸素との熱交換で深冷する熱交換器（ｙ）と、該熱交換器（ｙ）で深冷された原料空気を精留して成分分離する精留塔（ｚ）を備え、該精留塔（ｚ）から取り出された窒素ガスの一部を液化し、この液体窒素を前記精留塔（ｚ）に還流させるようにした空気の成分分離装置において、
前記精留塔（ｚ）から取り出された窒素ガスの一部を断熱圧縮する圧縮手段（ａ）と、
前記精留塔（ｚ）から取り出された液体酸素の一部を断熱膨張させる膨張手段（ｂ）と、
前記圧縮手段（ａ）で断熱圧縮された窒素と前記膨張手段（ｂ）で断熱膨張された酸素を熱交換させて窒素を冷却する熱交換器（ｃ）と、
前記熱交換器（ｃ）を経た酸素を冷却するための冷却手段（ｅ）を備え、
前記熱交換器（ｃ）を経た窒素が、液化した状態で精留塔（ｚ）に還流されるようにするとともに、前記冷却手段（ｅ）で冷却された酸素が精留塔（ｚ）に送られるようにしたことを特徴とする空気の成分分離装置。
［7］上記［6］の成分分離装置において、熱交換器（ｃ）を経た窒素をさらに冷却するための冷却手段（ｄ）を備えることを特徴とする空気の成分分離装置。
［8］上記［7］の成分分離装置において、冷却手段（ｄ）は、少なくとも、窒素を断熱膨張させる膨張手段（ｄ1）と、該膨張手段（ｄ1）で断熱膨張させた窒素を冷却する熱交換器（ｄ2）を備えることを特徴とする空気の成分分離装置。
［9］上記［6］〜［8］のいずれかの成分分離装置において、冷却手段（ｅ）は、少なくとも、酸素を断熱圧縮する圧縮手段（ｅ1）と、該圧縮手段（ｅ1）で断熱圧縮された酸素を冷却する熱交換器（ｅ2）を備えることを特徴とする空気の成分分離装置。
［10］上記［6］〜［9］のいずれかの成分分離装置を備え、少なくとも酸素と窒素を製造することを特徴とする気体の製造設備。
本発明によれば、精留塔から取り出された流体の断熱圧縮および断熱膨張と流体相互の熱交換を利用して、精留塔から取り出された窒素ガスの一部を還流用に液化させるための冷却を行うようにしたので、従来技術に較べて格段に少ない動力で窒素ガスを冷却・液化させることができ、空気を成分分離するための処理コストを効果的に低減することができる。
本発明法の実施に供される装置の一実施形態を示す構成図 本発明法の実施に供される装置のより具体的な実施形態を示す構成図 図２に示す実施形態において、精留塔から取り出されて系内を流れる流体の温度および圧力などを例示した図面 本発明の装置と特許文献２に示される装置の圧縮機動力を示す説明図
本発明に係る空気の成分分離方法は、圧縮された原料空気を深冷した後、精留塔で精留して成分分離する方法であって、精留塔から取り出された窒素ガスの一部を液化し、この液体窒素を精留塔に還流させる方式の成分分離方法である。なお、以下の説明で示される窒素、酸素、廃窒素の相（気相、液相、気液混合相）は、理想気体を前提として導かれる相であり、理想気体は実在気体とは異なるので、実操業においては説明とは異なる相（例えば、液相ではなく気相または気液混合相、或いは気相ではなく液相または気液混合相）となる場合がある。したがって、本発明は、以下の説明で示される窒素、酸素、廃窒素の相の場合に限定されるものではない。
本発明において、使用する精留塔の形式や構造は特に限定されないが、実質的には１塔式の精留塔を用いる場合に有用性がある。
図１は、本発明法の実施に供される装置の一実施形態を示す構成図であり、この実施形態は、特に基本的な構成のみからなるものである。
図１の装置は、原料空気の圧縮手段ｘと、この圧縮手段ｘで圧縮された原料空気を、精留塔から取り出された窒素および／または酸素との熱交換で深冷する熱交換器ｙと、この熱交換器ｙで深冷された原料空気を精留して成分分離する１塔式の精留塔ｚを備えており、これらの構成自体は、従来公知の成分分離装置と同様である。前記圧縮手段ｘは、通常、圧縮機などで構成される。
精留塔ｚでは、深冷された原料空気が主に液体酸素（製品酸素）、窒素ガス（製品窒素）および廃窒素ガスに分離される。このうち窒素ガスと廃窒素ガスは、精留塔ｚの塔頂部から窒素移送ラインｇ1と廃窒素移送ラインｇ3にそれぞれ取り出され、また、液体酸素は精留塔ｚの塔底部から酸素移送ラインｇ2に取り出される。精留塔ｚから取り出された液体酸素と窒素ガスの各一部と廃窒素ガスは、それぞれ熱交換器ｙに供給され、原料空気を深冷する冷媒として使われた後、それぞれの処理系や貯蔵部などに送られる。一方、窒素移送ラインｇ1からは移送ラインｇ10が、また、酸素移送ラインｇ2からは移送ラインｇ20がそれぞれ分岐し、これら分岐した移送ラインｇ10と移送ラインｇ20を通じて、液体酸素と窒素ガスの各一部が下記する窒素液化・還流モジュールに導かれる。
図１の分離装置は、精留塔ｚから取り出された窒素ガスの一部を液化し、この液体窒素を精留塔ｚに還流させるために、次のような窒素液化・還流モジュールを備えている。すなわち、このモジュールは、前記移送ラインｇ10に導かれた窒素ガスを断熱圧縮する圧縮手段ａと、前記移送ラインｇ20に導かれた液体酸素を断熱膨張させる膨張手段ｂと、前記圧縮手段ａで断熱圧縮した窒素と前記膨張手段ｂで断熱膨張させた酸素を熱交換させて窒素を冷却する熱交換器ｃを備え、この熱交換器ｃを経た窒素を、液化した状態で精留塔ｚに還流させる。前記圧縮手段ａは、通常、圧縮機などで構成される。また、前記膨張手段ｂは、本実施形態では減圧弁で構成されているが、膨張タービンなどで構成してもよい。また、前記熱交換器ｃは対向流式熱交換器などで構成される。
本実施形態の窒素液化・還流モジュールは、さらに、熱交換器ｃを経た窒素をさらに冷却するための冷却手段ｄを備える。本実施形態の冷却手段ｄは、少なくとも、窒素を断熱膨張させる膨張手段ｄ1と、この膨張手段ｄ1で断熱膨張された窒素を冷却する熱交換器ｄ2を備える。これらも移送ラインｇ10に設けられ、熱交換器ｃと冷却手段ｄを経て液化された窒素は、この移送ラインｇ10を通じて精留塔ｚに還流される。本実施形態では、膨張手段ｄ1は減圧弁で構成されているが、膨張タービンなどで構成してもよい。
また、窒素液化・還流モジュールは、さらに、熱交換器ｃを経た酸素を冷却するための冷却手段ｅを備え、この冷却手段ｅで冷却された酸素が精留塔ｚに送られるようにしてある。本実施形態の冷却手段ｅは、少なくとも、酸素を断熱圧縮する圧縮手段ｅ1と、この圧縮手段ｅ1で断熱圧縮された酸素を冷却する熱交換器ｅ2を備える。これらも移送ラインｇ20に設けられ、冷却手段ｅで冷却された酸素は、この移送ラインｇ20を通じて精留塔ｚに送られる。前記圧縮手段ｅ1は、通常、圧縮機などで構成される。
なお、熱交換器ｄ2や熱交換器ｅ2は、精留塔ｚから取り出された廃窒素ガスや窒素ガスを冷媒とするものが好ましいが、外部からの冷熱源によるもの、例えば冷凍機などで構成してもよい。
本実施形態の窒素液化・還流モジュールでは、次のようにして窒素ガスの液化と還流、さらにはこれに付随した流体の温度及び圧力制御が行われる。
精留塔ｚから取り出された窒素ガスの一部を移送ラインｇ10に導き、圧縮手段ａによって断熱圧縮することで温度及び圧力を上昇させる（工程Ａ）。この場合の窒素ガスの温度及び圧力上昇の一例を挙げると、工程Ａを経る前（精留塔ｚから取り出された状態）では−１８７℃，１５０ｋＰａＧであったものが、工程Ａを経ることで−１７３℃，３２８ｋＰａＧとなる。一方、精留塔ｚから取り出された液体酸素の一部を移送ラインｇ20に導き、膨張手段ｂによって断熱膨張させて温度及び圧力を低下させる（工程Ｂ）。この場合の酸素の温度及び圧力低下の一例を挙げると、工程Ｂを経る前（精留塔ｚから取り出された状態）では−１７２℃，１７５ｋＰａＧであったものが、工程Ｂを経ることで−１８２℃，１０ｋＰａＧとなる。通常、液体酸素は工程Ｂを経ることで、一部または全部が気相となる。
以上のように温度及び圧力が上昇した窒素と、温度及び圧力が低下した酸素を熱交換器ｃで熱交換させて窒素を冷却し（工程Ｃ）、この工程Ｃを経た窒素を、液化した状態で精留塔ｚに還流する。窒素が工程Ｃを経ただけで液化する場合には、そのまま精留塔ｚに還流すればよい。但し、一般には、工程Ｃを経ただけでは液化しないので、さらに、冷却手段ｄで冷却し（工程Ｄ）、これら工程Ｃおよび工程Ｄを経て液化された窒素を精留塔ｚに還流する。
工程Ｄでは、膨張手段ｄ1で窒素を断熱膨張させて温度及び圧力を低下させた後、さらに熱交換器ｄ2で熱交換して冷却する。この場合の窒素の温度及び圧力低下の一例を挙げると、工程Ｄを経る前では−１８１℃，３２８ｋＰａＧであったものが、工程Ｄを経ることで−１８７℃，１５０ｋＰａＧとなり、この温度及び圧力で精留塔ｚに還流される。
熱交換器ｄ2の冷媒は任意であるが、例えば、精留塔ｚから取り出された廃窒素ガス（例えば、温度及び圧力が−１８７℃，１５０ｋＰａＧ）を断熱膨張させて温度及び圧力を低下させ（例えば、−１９５℃，１０ｋＰａＧ）、この廃窒素ガスを冷媒として用いれば、少ない動力で冷却を行うことができる。なお、冷媒としては、窒素ガスや酸素を用いてもよい。
また、本実施形態の窒素液化・還流モジュールでは、工程Ｃを経た酸素を冷却手段ｅによって冷却し（工程Ｅ）、この冷却された酸素を精留塔ｚに送る。
工程Ｅでは、圧縮手段ｅ1により酸素を断熱圧縮して昇圧した後、熱交換器ｅ2で熱交換して冷却する。この場合の酸素の温度及び圧力の推移の一例を挙げると、工程Ｅを経る前では−１７３℃，１０ｋＰａＧであったものが、工程Ｅを経ることで−１７２℃，１７５ｋＰａＧとなり、この温度及び圧力で精留塔ｚに送られる。
熱交換器ｅ2の冷媒は任意であるが、例えば、精留塔ｚから取り出された窒素ガス（例えば、温度及び圧力が−１８７℃，１５０ｋＰａＧ）を断熱膨張させて温度及び圧力を低下させ（例えば、−１９５℃，１０ｋＰａＧ）、この窒素ガスを冷媒として用いれば、少ない動力で冷却を行うことができる。なお、冷媒としては、廃窒素ガスや酸素を用いてもよい。
以上のように本発明では、精留塔ｚから取り出された流体の断熱圧縮および断熱膨張と流体相互の熱交換を利用し、精留塔ｚから取り出された窒素ガスの一部を還流用に液化させるための冷却を行い、さらに必要に応じて、これに付随した流体の温度及び圧力制御を行うようにしたものであり、流体の断熱圧縮には動力を使用するが、特許文献３に示されるような循環冷媒との熱交換により窒素ガスの冷却・液化を行う方式に較べてエネルギー効率が極めて高く、同方式に較べて格段に少ない動力で窒素ガスの冷却・液化を行うことができる。
図２および図３は、本発明法の実施に供される装置のより具体的な実施形態を示すもので、図２は全体構成図、図３は精留塔から取り出されて系内を流れる流体の温度および圧力などを例示した図面である。なお、図中の（g）、（l）、（l,g）の各表示は、その地点を移送中の流体の相を示したものであり、（g）は気相、（l）は液相、（l,g）は気液混合相であることを示す。
図において、１は原料空気の圧縮機（＝圧縮手段ｘ）、３は原料空気深冷用の熱交換器（＝熱交換器ｙ）、４は１塔式の精留塔（＝精留塔ｚ）であり、圧縮機１と熱交換器３との間には水冷冷却器２が設けられている。
原料空気は、圧縮機１で所定の圧力（例えば、２００ｋＰａＧ）に圧縮され、次いで、水冷冷却器２により適当な温度まで冷却（例えば、１０℃程度まで冷却）された後、熱交換器３に供給される。この熱交換器３には、精留塔４から取り出された液体酸素と窒素ガスの各一部と廃窒素ガスが供給され、これらを冷媒として原料空気が所定の温度（例えば、−１８１℃）に深冷される。
この熱交換器３で深冷された原料空気は精留塔４に供給され、この精留塔４では、深冷された原料空気が主に液体酸素（製品酸素）、窒素ガス（製品窒素）および廃窒素ガスに分離される。精留塔４は、例えば１００段程度の精留棚を有し、この精留塔４の中段部に原料空気が供給される。なお、精留塔４の内部は棚でなく、充填物であってもよい。
成分分離された窒素ガスと廃窒素ガスは、精留塔４の塔頂部から窒素移送ライン６（窒素排出ライン）と廃窒素移送ライン７（廃窒素排出ライン）にそれぞれ取り出され、また、液体酸素は精留塔４の塔底部から酸素移送ライン５（酸素排出ライン）に取り出される。精留塔４から取り出された液体酸素の一部はそのまま、また窒素ガスの一部と廃窒素ガスは、下記する窒素液化・還流モジュール内で熱交換用の冷媒として使用された後に、原料空気深冷用の熱交換器３に供給されて冷媒として使用され、その後、それぞれの処理系や貯蔵部などに送られる。一方、窒素移送ライン６からは移送ライン６０が、また、酸素移送ライン５からは移送ライン５０がそれぞれ分岐し、これら分岐した移送ライン６０と移送ライン５０を通じて、窒素ガスと液体酸素の各一部が下記する窒素液化・還流モジュールに導かれる。
図２の分離装置は、精留塔４から取り出された窒素ガスの一部を液化し、この液体窒素を精留塔４に還流させるために、次のような構成の窒素液化・還流モジュールを備えている。すなわち、このモジュールは、前記移送ライン６０に導かれた窒素ガスを断熱圧縮する圧縮機１１（＝圧縮手段ａ）と、前記移送ライン５０に導かれた液体酸素を断熱膨張させる減圧弁１０（＝膨張手段ｂ）と、前記圧縮機１１で断熱圧縮した窒素と前記減圧弁１０で断熱膨張させた酸素を熱交換させて窒素を冷却する熱交換器１２（＝熱交換器ｃ）を備えている。前記減圧弁１０は、膨張タービンなどで構成してもよい。また、前記熱交換器１２は対向流式熱交換器で構成される。
熱交換器１２を経た窒素をさらに冷却するための冷却手段（＝冷却手段ｄ）として、移送ライン６０には、廃窒素ガス（冷媒）と熱交換して窒素ガスを冷却する熱交換器１９と、窒素を断熱膨張させ温度低下させる減圧弁２１（＝膨張手段ｄ1）と、廃窒素ガス（冷媒）と熱交換して窒素ガスを冷却する熱交換器２２（＝熱交換器ｄ2）が、上流側から順に設けられている。移送ライン６０は、熱交換器１２とこれに続く冷却手段を経て液化された窒素を精留塔４に導く。前記減圧弁２１は、膨張タービンなどで構成してもよい。
また、熱交換器１２を経た酸素を冷却するための手段（＝冷却手段ｅ）として、移送ライン５０には、酸素を断熱圧縮する圧縮機１３（圧縮手段ｅ1）と、窒素ガス（冷媒）と熱交換して酸素を冷却する熱交換器１５（＝熱交換器ｅ2）が、上流側から順に設けられている。移送ライン５０は、これら冷却手段を経て冷却された酸素を精留塔４に導く。
前記熱交換器２２，１９，１５も対向流式熱交換器などで構成される。なお、熱交換器２２や熱交換器１５は、本実施形態のように精留塔４から取り出された廃窒素ガスや窒素ガスを冷媒とするものが好ましいが、外部からの冷熱源によるもの、例えば冷凍機などで構成してもよい。
精留塔４から取り出された廃窒素ガス用の前記廃窒素移送ライン７には、廃窒素ガスを断熱膨張させる膨張タービン１８と、前記熱交換器２２と、前記熱交換器１９が、上流側から順に設けられている。前記膨張タービン１８は、減圧弁などで構成してもよい。
また、精留塔４から取り出された窒素ガス用の前記窒素移送ライン６には、窒素ガスを断熱膨張させる膨張タービン１４と、前記熱交換器１５が、上流側から順に設けられている。前記膨張タービン１４は、減圧弁などで構成してもよい。
また、精留塔４から取り出された液体酸素用の前記酸素移送ライン５には圧力調整弁８が設けられている。
なお、図において、供給ライン９は、製品酸素を熱交換器３を経由して移送するラインであり、酸素移送ライン５の一部を構成する。供給ライン１６は、製品窒素を熱交換器３を経由して移送するラインであり、窒素移送ライン６の一部を構成する。供給ライン１７は、窒素液化・還流モジュールで冷却された酸素を精留塔４に送るための移送ラインであり、移送ライン５０の一部を構成する。供給ライン２３は、窒素液化・還流モジュールで液化された窒素を精留塔４に還流するための移送ラインであり、移送ライン６０の一部を構成する。供給ライン２０は、廃窒素ガスを熱交換器３を経由して移送するラインであり、廃窒素移送ライン７の一部を構成する。
精留塔４で分離された液体酸素は、精留塔４の塔底部から、例えば、温度及び圧力が−１７２℃，１７５ｋＰａＧで酸素移送ライン５に取り出され、一部が移送ライン５０を通じて窒素液化・還流モジュールに供給される。残りの液体酸素は、原料空気を冷却する冷媒として原料空気深冷用の熱交換器３に供給される。その際、圧力調整弁８で減圧して温度低下させた上で（例えば、温度及び圧力が−１８２℃，１０ｋＰａＧ）、熱交換器３に供給してもよい。
精留塔４で分離された窒素ガスは、精留塔４の塔頂部から、例えば、温度及び圧力が−１８７℃，１５０ｋＰａＧで窒素移送ライン６に取り出され、一部が移送ライン６０を通じて窒素液化・還流モジュールに供給される。残りの窒素ガスは、窒素液化・還流モジュールで熱交換用の冷媒として使用された後、原料空気を冷却する冷媒として原料空気深冷用の熱交換器３に供給される。窒素液化・還流モジュールで熱交換用の冷媒として使用するため、窒素ガスを膨張タービン１４で断熱膨張させて温度及び圧力を低下（例えば、−１９５℃，１０ｋＰａＧ）させた後、熱交換器１５で酸素と熱交換させ、例えば、温度及び圧力が−１８７℃，１０ｋＰａＧの窒素ガスとして原料空気深冷用の熱交換器３に供給される。
精留塔４で分離された廃窒素ガスは、精留塔４の塔頂部から、例えば、温度及び圧力が−１８７℃，１５０ｋＰａＧで廃窒素移送ライン７に取り出され、窒素液化・還流モジュールで熱交換用の冷媒として使用された後、原料空気を冷却する冷媒として原料空気深冷用の熱交換器３に供給される。窒素液化・還流モジュールで熱交換用の冷媒として使用するため、廃窒素ガスを膨張タービン１８で断熱膨張させて温度及び圧力を低下（例えば、−１９５℃，１０ｋＰａＧ）させた後、熱交換器２２，１９で窒素と熱交換させた後、例えば、温度及び圧力が−１９３℃、１０ｋＰａＧの廃窒素ガスとして原料空気深冷用の熱交換器３に供給される。
本実施形態の窒素液化・還流モジュールでは、次のようにして窒素ガスの液化と還流、さらにはこれに付随した流体の温度及び圧力制御が行われる。
移送ライン６０に導かれた窒素ガスを、圧縮機１１によって断熱圧縮することで温度及び圧力を上昇させる（工程Ａ）。この場合の窒素ガスの温度及び圧力上昇の一例を挙げると、さきに図１の実施形態で述べたように、工程Ａを経る前（精留塔４から取り出された状態）では−１８７℃，１５０ｋＰａＧであったものが、工程Ａを経ることで−１７３℃，３２８ｋＰａＧとなる。
一方、移送ライン５０に導かれた液体酸素を、減圧弁１０によって断熱膨張させて温度及び圧力を低下させる（工程Ｂ）。この場合の酸素の温度及び圧力低下の一例を挙げると、さきに図１の実施形態で述べたように、工程Ｂを経る前（精留塔４から取り出された状態）では−１７２℃，１７５ｋＰａＧであったものが、工程Ｂを経ることで−１８２℃，１０ｋＰａＧとなる。通常、液体酸素は工程Ｂを経ることで、一部または全部が気相となる。
以上のように温度及び圧力が上昇した窒素と、温度及び圧力が低下した酸素を熱交換器１２で熱交換させて窒素を冷却する（工程Ｃ）。この熱交換器１２で冷却された窒素は、一部液化する場合があるが、いずれにしても完全には液化しないので、さらに、冷却手段で冷却し（工程Ｄ）、これら工程Ｃおよび工程Ｄを経て液化された窒素を精留塔４に還流する。工程Ｄでは、熱交換器１２で酸素と熱交換された窒素を、まず、熱交換器１９において、冷却する。次いで、この冷却した窒素（例えば、−１８１℃程度の気液混合体）を減圧弁２１で断熱膨張して温度及び圧力を低下させた後、熱交換器２２において廃窒素ガスと熱交換して冷却する。この場合の窒素の温度及び圧力低下の一例を挙げると、さきに図１の実施形態で述べたように、工程Ｄを経る前では−１８１℃，３２８ｋＰａＧであったものが、工程Ｄを経ることで−１８７℃，１５０ｋＰａＧとなる。このような工程を経て窒素が液化し、精留塔４に還流される。
この実施形態では、精留塔４から取り出された廃窒素ガス（例えば、温度及び圧力が−１８７℃，１５０ｋＰａＧ）を膨張タービン１８で断熱膨張させて温度及び圧力を低下させ（例えば、−１９５℃，１０ｋＰａＧ）、この廃窒素ガスを熱交換器２２の冷媒として用いており、低動力化を達成するための熱交換方法の最適化を図っている。これにより少ない動力で冷却を行うことができる。
また、本実施形態の窒素液化・還流モジュールでは、この熱交換器１２で窒素と熱交換した酸素を冷却手段によって冷却し（工程Ｅ）、この冷却された酸素を精留塔４に還流する。この工程Ｅでは、圧縮機１３により酸素を断熱圧縮して昇圧（例えば、１７５ｋＰａＧ）した後、熱交換器１５で廃窒素ガスと熱交換して冷却する。この場合の酸素の温度及び圧力の推移の一例を挙げると、さきに図１の実施形態で述べたように、工程Ｅを経る前では−１７３℃，１０ｋＰａＧであったものが、工程Ｅを経ることで−１７２℃，１７５ｋＰａＧとなる。
この実施形態では、精留塔４から取り出された窒素ガス（例えば、温度及び圧力が−１８７℃，１５０ｋＰａＧ）を膨張タービン１４で断熱膨張させて温度及び圧力を低下させ（例えば、−１９５℃，１０ｋＰａＧ）、この窒素ガスを熱交換器１５の冷媒として用いており、低動力化を達成するための熱交換方法の最適化を図っている。これにより少ない動力で冷却を行うことができる。
以上のように、精留塔４から取り出された窒素ガスの一部を還流用に冷却・液化させる際に、精留塔４から取り出された窒素ガスを圧縮機１１で断熱圧縮して温度及び圧力を上昇させるとともに、精留塔４から取り出された液体酸素を減圧弁１０で断熱膨張させて温度及び圧力を低下させた上で、熱交換機１２において窒素と酸素を熱交換して窒素を冷却することにより、特許文献３に示される窒素ガスの冷却・液化を行う方式に較べて格段に少ない動力で窒素ガスの冷却・液化を行うことができる。
また、特許文献１に示される装置のように、精留塔の内部に蒸発器や凝縮器を設ける必要がないので、精留塔の構造を簡略化することができる。
図１に示す本発明の装置と特許文献２に示される装置について、原料空気を成分分離するときに必要なエネルギー消費量を、以下の条件でシミュレーション計算した。実機の深冷式分離装置では、必要動力のうちの殆どを圧縮機動力が占めるため、必要動力は圧縮機動力のみで比較した。図４に、本発明の装置（図４（ａ））と特許文献２に示される装置（図４（ｂ）の装置）の圧縮機動力を示す。計算の結果、特許文献２に示される装置では約１７８００ｋＷの動力を必要とするのに対し、図１に示す本発明の装置では約１１４００ｋＷの動力で済むことが判った。
（計算式）
Ｗｃ＝Ｈｏｕｔ−Ｈｉｎ …（1）
Ｅｄ＝Ｗｎｅｔ＝Ｗｃ …（2）
但し Ｅｄ：必要エネルギー量（ｋＷ）
Ｗｎｅｔ：正味必要動力（ｋＷ）
Ｗｃ：圧縮機動力（ｋＷ）
Ｈｉｎ，Ｈｏｕｔ：圧縮機の入出エンタルピー
（条件）
原料空気温度：２５℃
原料空気圧力：０ｋＰａＧ
原料空気流量：１６７ｋｍ３／ｈ
原料空気成分：窒素８０vol％、酸素２０vol％
酸素流量：３１ｋｍ３／ｈ（酸素濃度：９９．９vol％以上）
窒素流量：３０ｋｍ３／ｈ（窒素濃度：９９．９vol％以上）
なお、本発明の方法及び装置は、酸素および窒素の分離だけでなく、アルゴンガス、二酸化炭素、微量成分であるネオン、クリプトン、水素、キセノンなどの希ガス、炭化水素系ガス（ＣｍＨ２ｎ＋２，ＣｍＨ２ｎ，ＣｍＨ２ｎ−２，ＣｍＨ２ｎ−４）の成分分離にも適用可能である。
本発明の気体の製造方法は、以上述べたような空気の成分分離方法を用い、少なくとも酸素と窒素を製造するものであり、また、本発明の気体の製造設備は、以上述べたような空気の成分分離装置を備え、少なくとも酸素と窒素を製造するものである。
ｘ 圧縮手段
ｙ 熱交換器
ｚ 精留塔
ａ 圧縮手段
ｂ 膨張手段
ｃ 熱交換器
ｄ 冷却手段
ｄ1 膨張手段
ｄ2 熱交換器
ｅ 冷却手段
ｅ1 圧縮手段
ｅ2 熱交換器
ｇ1 窒素移送ライン
ｇ2 酸素移送ライン
ｇ3 廃窒素移送ライン
ｇ10 移送ライン
ｇ20 移送ライン
１ 圧縮機
２ 水冷冷却器
３ 熱交換器
４ 精留塔
５ 酸素移送ライン
６ 窒素移送ライン
７ 廃窒素移送ライン
８ 圧力調整弁
９ 供給ライン
１０ 減圧弁
１１ 圧縮機
１２ 熱交換器
１３ 圧縮機
１４ 膨張タービン
１５ 熱交換器
１６，１７ 供給ライン
１８ 膨張タービン
１９ 熱交換器
２０ 供給ライン
２１ 減圧弁
２２ 熱交換器
２３ 供給ライン

Claims (10)

  1. 圧縮された原料空気を深冷した後、精留塔で精留して成分分離する方法であって、前記精留塔から取り出された窒素ガスの一部を液化し、この液体窒素を前記精留塔に還流させるようにした空気の成分分離方法において、
    前記精留塔から取り出された窒素ガスの一部を断熱圧縮して温度及び圧力を上昇させる工程（Ａ）と、
    前記精留塔から取り出された液体酸素の一部を断熱膨張させて温度及び圧力を低下させる工程（Ｂ）と、
    前記工程（Ａ）を経た窒素と前記工程（Ｂ）を経た酸素を熱交換器で熱交換させることで、窒素を冷却する工程（Ｃ）と、
    前記工程（Ｃ）を経た酸素を冷却する工程（Ｅ）を有し、
    前記工程（Ｃ）を経た窒素を、液化した状態で精留塔に還流するとともに、前記工程（Ｅ）を経て冷却された酸素を精留塔に送ることを特徴とする空気の成分分離方法。
  2. 工程（Ｃ）を経た窒素をさらに冷却する工程（Ｄ）を有し、これら工程（Ｃ）および工程（Ｄ）を経て液化された窒素を精留塔に還流することを特徴とする請求項１に記載の空気の成分分離方法。
  3. 工程（Ｄ）では、窒素を断熱膨張させて温度及び圧力を低下させた後、さらに熱交換器で熱交換して冷却することを特徴とする請求項２に記載の空気の成分分離方法。
  4. 工程（Ｅ）では、酸素を断熱圧縮して昇圧した後、熱交換器で熱交換して冷却することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の空気の成分分離方法。
  5. 請求項１〜４のいずれかに記載の空気の成分分離方法を用い、少なくとも酸素と窒素を製造することを特徴とする気体の製造方法。
  6. 原料空気の圧縮手段（ｘ）と、該圧縮手段（ｘ）で圧縮された原料空気を、精留塔から取り出された窒素および／または酸素との熱交換で深冷する熱交換器（ｙ）と、該熱交換器（ｙ）で深冷された原料空気を精留して成分分離する精留塔（ｚ）を備え、該精留塔（ｚ）から取り出された窒素ガスの一部を液化し、この液体窒素を前記精留塔（ｚ）に還流させるようにした空気の成分分離装置において、
    前記精留塔（ｚ）から取り出された窒素ガスの一部を断熱圧縮する圧縮手段（ａ）と、
    前記精留塔（ｚ）から取り出された液体酸素の一部を断熱膨張させる膨張手段（ｂ）と、
    前記圧縮手段（ａ）で断熱圧縮された窒素と前記膨張手段（ｂ）で断熱膨張された酸素を熱交換させて窒素を冷却する熱交換器（ｃ）と、
    前記熱交換器（ｃ）を経た酸素を冷却するための冷却手段（ｅ）を備え、
    前記熱交換器（ｃ）を経た窒素が、液化した状態で精留塔（ｚ）に還流されるようにするとともに、前記冷却手段（ｅ）で冷却された酸素が精留塔（ｚ）に送られるようにしたことを特徴とする空気の成分分離装置。
  7. 熱交換器（ｃ）を経た窒素をさらに冷却するための冷却手段（ｄ）を備えることを特徴とする請求項６に記載の空気の成分分離装置。
  8. 冷却手段（ｄ）は、少なくとも、窒素を断熱膨張させる膨張手段（ｄ1）と、該膨張手段（ｄ1）で断熱膨張させた窒素を冷却する熱交換器（ｄ2）を備えることを特徴とする請求項７に記載の空気の成分分離装置。
  9. 冷却手段（ｅ）は、少なくとも、酸素を断熱圧縮する圧縮手段（ｅ1）と、該圧縮手段（ｅ1）で断熱圧縮された酸素を冷却する熱交換器（ｅ2）を備えることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の空気の成分分離装置。
  10. 請求項６〜９のいずれかに記載の空気の成分分離装置を備え、少なくとも酸素と窒素を製造することを特徴とする気体の製造設備。
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