JP5798076B2 - 空気の低温深冷分離における前処理方法及び前処理装置 - Google Patents
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Description
本発明は、空気の低温深冷分離における前処理方法及び前処理装置に関する。
一般に、空気（原料空気）から酸素や窒素等を採取する技術として、低温深冷分離装置（空気液化分離装置）を用いた低温深冷分離（低温蒸留）が知られている。この低温深冷分離では、原料空気に含まれ、低温で不具合となる不純物である水分（以下、「Ｈ２Ｏ」と表記する。）や二酸化炭素（以下、「ＣＯ２」と表記する。）などを、予め前処理設備を用いて吸着除去することが行われている。
図２は、このような従来の空気の低温深冷分離における前処理装置６１の概略を示す系統図である。
この前処理装置６１は、原料空気を圧縮する空気圧縮機６２と、直接接触式の水洗冷却塔６３と、冷却水を冷却する冷凍機６４と、Ｈ２Ｏ吸着剤６５ａ，６５ｂとＣＯ２吸着剤６６ａ，６６ｂが充填された２基の吸着器６７ａ，６７ｂと、から概略構成されており、吸着器６７ａ，６７ｂを導出した原料空気は、低温蒸留を行うコールドボックス６８内に導入されるように構成されている。
この前処理装置６１は、原料空気を圧縮する空気圧縮機６２と、直接接触式の水洗冷却塔６３と、冷却水を冷却する冷凍機６４と、Ｈ２Ｏ吸着剤６５ａ，６５ｂとＣＯ２吸着剤６６ａ，６６ｂが充填された２基の吸着器６７ａ，６７ｂと、から概略構成されており、吸着器６７ａ，６７ｂを導出した原料空気は、低温蒸留を行うコールドボックス６８内に導入されるように構成されている。
この前処理装置６１による前処理方法について説明すると、まず原料空気は、空気圧縮機６２によって所定の圧力まで昇圧され、この際原料空気は、圧縮熱によって所定の温度まで昇温する。
次に、昇温された原料空気は、直接接触式の水洗冷却塔６３に導入され、冷却された後に水洗冷却塔６３を導出する。
水洗冷却塔６３に導入する冷却水について詳しく述べると、まずクーリングタワー（図示略）から供給された常温（例えば３０℃程度）の冷却水を必要に応じてポンプ６９で昇圧し、二分した後、一方を水洗冷却塔６３の中段に供給する。また、二分した他方は、冷凍機６４で約５℃まで冷却して水洗冷却塔６３の頂部に供給する。
水洗冷却塔６３に導入する冷却水について詳しく述べると、まずクーリングタワー（図示略）から供給された常温（例えば３０℃程度）の冷却水を必要に応じてポンプ６９で昇圧し、二分した後、一方を水洗冷却塔６３の中段に供給する。また、二分した他方は、冷凍機６４で約５℃まで冷却して水洗冷却塔６３の頂部に供給する。
したがって、水洗冷却塔６３に導入された原料空気は、まず常温の冷却水と接触して冷却した後に、冷凍機６４で冷却された冷却水と接触して更に冷却し、約８℃まで冷却される。
そして、水洗冷却塔６３内を流下して原料空気を冷却し昇温された冷却水は、水洗冷却塔６３の底部から抜出され、クーリングタワーに返送される。
そして、水洗冷却塔６３内を流下して原料空気を冷却し昇温された冷却水は、水洗冷却塔６３の底部から抜出され、クーリングタワーに返送される。
また、冷却された原料空気は、吸着器６７ａに導入される。吸着器６７ａには上流側から順にＨ２Ｏ吸着剤６５ａ、ＣＯ２吸着剤６６ａが充填されており、吸着器６７ａ内に導入された原料空気は、Ｈ２Ｏ，ＣＯ２の順に除去され、約１５℃となって吸着器６７ａを導出する。
そして、吸着器６７ａを導出した原料空気は、精製された原料空気として、低温蒸留を行うコールドボックス６８に導入され、熱交換器７０で熱交換した後、蒸留塔７１に導入されて低温深冷分離される。
蒸留塔７１から排出される廃ガスは、コールドボックス６８から導出して再生加熱器７２で昇温した後に、吸着器６７ｂ内に導入され、吸着器６７ｂ内のＨ２Ｏ吸着剤６５ｂ、ＣＯ２吸着剤６６ｂを加熱再生する。このように吸着器６７ａ，６７ｂは、２基構成となっているので、一方が吸着工程の際には他方は再生工程にあり、吸着と再生を交互に繰り返して使用される。
ところで、従来から、空気の低温深冷分離における前処理方法において、原料空気中のＨ２ＯやＣＯ２のほかに、製品窒素に混入して不純物となる成分である一酸化炭素（以下、「ＣＯ」と表記する。）や水素（以下、「Ｈ２」と表記する。）を、コールドボックス６８に導入する前の原料空気から除去することも行われている。
具体的には、原料空気中のＣＯ２やＨ２Ｏの吸着を目的とした酸化触媒を吸着器内に充填し、吸着器内でＣＯまたはＣＯとＨ２を酸化し、反応で生じたＣＯ２やＨ２Ｏを直ちに吸着器内で除去する技術が複数開示されている。
この方法では、ＣＯやＨ２の除去を目的とした触媒塔やその周辺機器の設置が不要となるので、装置の設置面積の小型化が可能となる。
この方法では、ＣＯやＨ２の除去を目的とした触媒塔やその周辺機器の設置が不要となるので、装置の設置面積の小型化が可能となる。
例えば、特許文献１には、前処理装置の吸着器内に、上流から順にＨ２Ｏ吸着剤、ＣＯ２吸着剤およびＣＯ／Ｈ２酸化触媒を充填する吸着器が開示されている。
この方法では、原料空気中のＨ２ＯやＣＯ２を吸着除去した後に、原料空気をＣＯ／Ｈ２酸化触媒に導入し、ＣＯやＨ２を酸化させると同時に吸着除去している。
この方法では、原料空気中のＨ２ＯやＣＯ２を吸着除去した後に、原料空気をＣＯ／Ｈ２酸化触媒に導入し、ＣＯやＨ２を酸化させると同時に吸着除去している。
また、特許文献２には、前処理装置の吸着器内に、上流から順にＨ２Ｏ吸着剤、ＣＯ酸化触媒とＨ２酸化触媒（またはＣＯ酸化触媒のみ）、およびＣＯ２吸着剤を充填する吸着器が開示されている。
この方法では、原料空気中の水蒸気を吸着除去した後、乾燥状態の原料空気を酸化触媒層に導入し、空気中のＣＯやＨ２を酸化してＣＯ２やＨ２Ｏとし、これらを下流のＣＯ２吸着剤で除去している。
この方法では、原料空気中の水蒸気を吸着除去した後、乾燥状態の原料空気を酸化触媒層に導入し、空気中のＣＯやＨ２を酸化してＣＯ２やＨ２Ｏとし、これらを下流のＣＯ２吸着剤で除去している。
これらの特許文献１や特許文献２に記載された方法では、特にＨ２の酸化触媒反応を促進させるために、吸着器の入口温度を概ね２０℃以上とすることが必要である。
そして、特許文献３には、吸着器の入口温度を２０℃〜４０℃と高く設定し、酸化触媒反応に必要な温度としても、必要な吸着剤の大幅な増加を抑える技術が開示されている。
そして、特許文献３には、吸着器の入口温度を２０℃〜４０℃と高く設定し、酸化触媒反応に必要な温度としても、必要な吸着剤の大幅な増加を抑える技術が開示されている。
したがって、特許文献３に記載された技術と、例えば特許文献１に記載された技術を組み合わせて用いると、必要な吸着剤の増加を抑えつつ、原料空気中のＣＯやＨ２を除去することが可能となる。
しかし、この場合でも吸着器入口温度を２０℃〜４０℃と高くすると、原料空気に含まれる飽和水蒸気量が急激に増大し、吸着剤を再生させるために、吸着したＨ２Ｏを加熱脱着させるのに大量の熱量が必要になるという不都合があった。
したがって、製品収率が高く廃ガス割合が少ない装置や大型装置では、このような方法を採用することができなかった。
したがって、製品収率が高く廃ガス割合が少ない装置や大型装置では、このような方法を採用することができなかった。
そこで、原料空気を０℃〜２０℃（好ましくは１０℃前後）まで冷却して前処理装置の吸着器に導入するプロセスを採用する場合は、酸化触媒層を吸着器内に設けると酸化触媒反応に必要な温度（約２０℃以上）を確保できないので、吸着器とは別に触媒筒を設ける必要があった（特許文献４，５）。
図３は、図２の前処理装置６１に加えて、原料空気中のＣＯやＨ２を除去する触媒筒９２が追加された前処理装置９１の概略を示す系統図である。
前処理装置９１には、高温の酸化触媒反応によって原料空気中のＣＯやＨ２を酸化する触媒筒９２が設けられている。
前処理装置９１には、高温の酸化触媒反応によって原料空気中のＣＯやＨ２を酸化する触媒筒９２が設けられている。
この前処理装置を用いる場合は、原料空気を触媒反応に充分な温度にするため、触媒筒用加熱器９３によって加熱した後に、触媒筒９２内に導入して原料空気中のＣＯやＨ２を酸化してＣＯ２やＨ２Ｏとする。その後、原料空気を水洗冷却塔６３に導入し、その後のプロセスは、図２の前処理装置６１と同じである。
なお、特許文献６，７には、複数の酸化触媒を用い、上流側に触媒毒による劣化の少ない酸化触媒を充填し、下流に反応性の高い触媒を充填する方法が開示されている。
ところで、図２に示したような従来の前処理方法では、原料空気を約８℃で吸着器６７ａ，６７ｂに導入して精製した結果、吸着器６７ａ，６７ｂを導出する原料空気は、約１５℃と常温より低い温度となる。
そして、蒸留塔７１で分離された製品ガスや廃ガスは、熱交換器７０で原料空気と熱交換して、原料空気より低い温度（例えば約１３℃程度）で抜出され、送ガスされる。
そして、蒸留塔７１で分離された製品ガスや廃ガスは、熱交換器７０で原料空気と熱交換して、原料空気より低い温度（例えば約１３℃程度）で抜出され、送ガスされる。
しかしながら、抜出された製品ガスや廃ガスの温度は、常温より低い温度である必要はなく、冷却エネルギーの損失がある。また、１３〜１５℃が大気の露点より低い場合は、熱交換器７０を導出する製品ガスや廃ガスが流れる配管の表面に結露が生じ、垂れて床面をぬらすとともに腐食の原因となるという問題があった。
また、図３に示したような従来の前処理方法では、酸化触媒反応に必要な１５０℃〜２００℃程度の反応温度を確保する為に、原料空気の圧縮で昇温した温度を利用したり、触媒筒用加熱器９３で必要温度まで昇温させたりする必要があった。加えて、加熱で使用した熱量の回収をするために熱交換器９４を設置する場合も多かった。
したがって、この方法を採用した場合は、特に対象となる低温深冷分離装置全体が大型になると、装置価格、設置面積、加熱エネルギーへの影響が大きいという不都合があった。
また、この方法は、精製処理されていない湿潤原料空気中から高温でＣＯ／Ｈ２を除去する方法なので、原料空気に含まれるＳ化合物やＣｌ化合物などの触媒毒により、ＣＯ／Ｈ２酸化触媒の性能が短時間で劣化する問題があった。
このため、劣化を見込んで予めより多くの触媒を充填したり、短時間で触媒を交換や再生したり、また、場合によっては特許文献６，７に示すように、複数の酸化触媒を用い、上流側に触媒毒による劣化の少ない酸化触媒を充填し、下流に反応性の高い触媒を充填する方法を採用する必要があった。
しかしながら、いずれの方法でも、基本的には、原料空気からＣＯ／Ｈ２の除去は可能であるが、吸着器内の吸着剤を再生するガス量の割合、加熱再生エネルギーの多寡、装置の設置面積、メンテナンス（触媒の交換／再生等）において不具合があり、問題があった。
そこで、上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を採用した。
請求項１に係る発明は、空気の低温深冷分離における前処理方法であって、原料空気を昇圧する工程と、昇圧された前記原料空気を水洗冷却塔で２０℃未満に冷却する工程と、冷却された前記原料空気を昇温器で昇温する工程と、昇温された前記原料空気を吸着器に導入し、該吸着器で前記原料空気に含まれる水蒸気と二酸化炭素を吸着除去して精製する工程と、を有し、冷却水の一部を前記昇温器に導入して冷却した後に、冷凍機で冷却して前記水洗冷却塔に導入していることを特徴とする空気の低温深冷分離における前処理方法である。
請求項１に係る発明は、空気の低温深冷分離における前処理方法であって、原料空気を昇圧する工程と、昇圧された前記原料空気を水洗冷却塔で２０℃未満に冷却する工程と、冷却された前記原料空気を昇温器で昇温する工程と、昇温された前記原料空気を吸着器に導入し、該吸着器で前記原料空気に含まれる水蒸気と二酸化炭素を吸着除去して精製する工程と、を有し、冷却水の一部を前記昇温器に導入して冷却した後に、冷凍機で冷却して前記水洗冷却塔に導入していることを特徴とする空気の低温深冷分離における前処理方法である。
請求項２に係る発明は、前記吸着器で前記原料空気に含まれる水蒸気と二酸化炭素を除去する工程において、一酸化炭素および水素の少なくとも１つを、酸化反応によって二酸化炭素または水とした後に除去することを特徴とする請求項１に記載の空気の低温深冷分離における前処理方法である。
請求項３に係る発明は、空気の低温深冷分離における前処理装置であって、所定圧力まで昇圧された原料空気を２０℃以下に冷却する水洗冷却塔と、冷却された前記原料空気を昇温する昇温器と、前記昇温器から導出された前記原料空気中の水分と二酸化炭素を吸着除去する吸着剤を有する吸着器と、昇温器において前記原料空気と熱交換して冷却された冷却水を冷却する冷凍機と、を有することを特徴とする空気の低温深冷分離における前処理装置である。
請求項４に係る発明は、前記吸着器が、一酸化炭素および水素の少なくとも１つを酸化反応させる触媒を有することを特徴とする請求項３に記載の空気の低温深冷分離における前処理装置である。
本発明では、冷却水の一部を昇温器に導入して冷却しているので、冷却水を冷却するエネルギーを低減することができ、結果として原料空気の冷却エネルギーを削減することができる。
また、吸着器に導入する前に原料空気は、昇温されているので、吸着器を導出する原料空気の温度が従来と比較して高い温度となる。この結果、コールドボックス内の熱交換器において、原料空気と熱交換した製品ガスや廃ガスの温度は、従来と比較して高くなるので、熱交換器や配管に結露が生じたり、それが垂れて床面をぬらしたりすることがなくなった。
また、吸着器に導入する前に原料空気は、昇温されているので、吸着器を導出する原料空気の温度が従来と比較して高い温度となる。この結果、コールドボックス内の熱交換器において、原料空気と熱交換した製品ガスや廃ガスの温度は、従来と比較して高くなるので、熱交換器や配管に結露が生じたり、それが垂れて床面をぬらしたりすることがなくなった。
また、予め原料空気を水洗冷却塔で冷却し、水洗冷却塔の出口で水滴を除去しているので、吸着器内に導入する温度が２０℃以上であっても、原料空気に含まれる水分量は少ない。
したがって、水洗冷却塔を用いる前処理方法でありながら、吸着器内にＣＯ／Ｈ２酸化触媒を充填することが可能となり、触媒筒及び周辺機器類を別途設置することなく、原料空気からＣＯ／Ｈ２を除去できる。
したがって、水洗冷却塔を用いる前処理方法でありながら、吸着器内にＣＯ／Ｈ２酸化触媒を充填することが可能となり、触媒筒及び周辺機器類を別途設置することなく、原料空気からＣＯ／Ｈ２を除去できる。
以下、本発明を適用した一実施形態である空気の低温深冷分離における前処理方法および前処理装置について説明する。
図１は、本発明の一実施形態である空気の低温深冷分離における前処理装置１の概略を示す系統図である。
図１は、本発明の一実施形態である空気の低温深冷分離における前処理装置１の概略を示す系統図である。
図１に示すように前処理装置１は、原料空気を圧縮する空気圧縮機２と、所定圧力まで昇圧された原料空気を冷却する直接接触式の水洗冷却塔３と、冷却された原料空気を昇温する昇温器４と、冷却水を冷却する冷凍機５と、上流側から順にＨ２Ｏ吸着剤６ａ、６ｂとＣＯ２吸着剤７ａ，７ｂとＣＯ／Ｈ２酸化触媒８ａ，８ｂとが充填された２基の吸着器９ａ，９ｂと、から概略構成されている。
昇温器４は、原料空気と冷却水を熱交換する装置であり、原料空気を昇温し、冷却水を冷却するように構成されている。また、冷凍機５は、昇温器４で冷却された冷却水を更に冷却するために設けられている。
吸着器９ａ，９ｂに充填されるＨ２Ｏ吸着剤６ａ，６ｂやＣＯ２吸着剤７ａ，７ｂとしては、それぞれＨ２ＯやＣＯ２が吸着可能な周知の剤を用いればよく、ＣＯ／Ｈ２酸化触媒８ａ，８ｂとしては、例えば特許第３７８２２８号公報に記載されている酸化触媒を用いればよい。
なお、吸着器９ａ，９ｂを導出した原料空気は、低温蒸留を行うコールドボックス１０に導入されるように構成されている。
なお、吸着器９ａ，９ｂを導出した原料空気は、低温蒸留を行うコールドボックス１０に導入されるように構成されている。
この前処理装置１による前処理方法は、原料空気を昇圧する昇圧工程と、原料空気を冷却する冷却工程と、原料空気を昇温する昇温工程と、原料空気に含まれる不純物を吸着する吸着工程と、を有している。
（昇圧工程）
具体的に説明すると、まず原料空気は、配管２１を介して空気圧縮機２に導入され、この空気圧縮機２によって所定の圧力まで昇圧される。この際、原料空気は、圧縮熱によって所定の温度まで昇温する。
具体的に説明すると、まず原料空気は、配管２１を介して空気圧縮機２に導入され、この空気圧縮機２によって所定の圧力まで昇圧される。この際、原料空気は、圧縮熱によって所定の温度まで昇温する。
（冷却工程）
次に、昇温された原料空気は、配管２２を介して直接接触式の水洗冷却塔３に導入されて冷却される。この際、原料空気を０℃以上２０℃未満に冷却するようにし、好ましくは１５℃以下に冷却するようにし、例えば約８℃にまで冷却する。
なお、冷却された原料空気は、水洗冷却塔３を導出する際に、水洗冷却塔３の出口で同伴する水滴が除去される。
次に、昇温された原料空気は、配管２２を介して直接接触式の水洗冷却塔３に導入されて冷却される。この際、原料空気を０℃以上２０℃未満に冷却するようにし、好ましくは１５℃以下に冷却するようにし、例えば約８℃にまで冷却する。
なお、冷却された原料空気は、水洗冷却塔３を導出する際に、水洗冷却塔３の出口で同伴する水滴が除去される。
水洗冷却塔３に導入される冷却水は、クーリングタワー（図示略）から常温（例えば３０℃程度）の状態で配管２３を介して導出し、配管２４と配管２５に分岐した後、必要に応じてそれぞれの配管２４，２５に設けられたポンプ２６ａ，２６ｂで昇圧される。
そして、配管２４を流れる一方の冷却水は、水洗冷却塔３の中段に供給される。
また、配管２５を流れる他方の冷却水は、昇温器４に導入されて原料空気と熱交換することで、例えば約２３℃に冷却された後に、配管２７を介して冷凍機５に導入される。そして、冷凍機５に導入された冷却水は、約５℃まで冷却された後に、配管２８を介して水洗冷却塔３の頂部に供給される。
また、配管２５を流れる他方の冷却水は、昇温器４に導入されて原料空気と熱交換することで、例えば約２３℃に冷却された後に、配管２７を介して冷凍機５に導入される。そして、冷凍機５に導入された冷却水は、約５℃まで冷却された後に、配管２８を介して水洗冷却塔３の頂部に供給される。
したがって、水洗冷却塔３に導入された原料空気は、まず常温の冷却水と接触して冷却した後に、冷凍機５で冷却された冷却水と接触して更に冷却し、例えば約８℃まで冷却される。
そして、水洗冷却塔３内を流下して原料空気と接触して昇温された冷却水は、水洗冷却塔３の底部から抜出され、クーリングタワーに返送される。
そして、水洗冷却塔３内を流下して原料空気と接触して昇温された冷却水は、水洗冷却塔３の底部から抜出され、クーリングタワーに返送される。
（昇温工程）
水洗冷却塔３から導出する冷却された原料空気は、配管２９を介して昇温器４に導入される。この昇温器４では、冷却水と熱交換することで、原料空気は昇温する。この際、原料空気を２０℃以上に昇温することが好ましく、例えば２０℃としてもよい。
水洗冷却塔３から導出する冷却された原料空気は、配管２９を介して昇温器４に導入される。この昇温器４では、冷却水と熱交換することで、原料空気は昇温する。この際、原料空気を２０℃以上に昇温することが好ましく、例えば２０℃としてもよい。
（吸着工程）
昇温器４によって昇温された原料空気は、配管３０を介して吸着器９ａに導入される。
吸着器９ａには、上流側から順にＨ２Ｏ吸着剤６ａ、ＣＯ２吸着剤７ａ、ＣＯ／Ｈ２酸化触媒８ａが充填されているので、吸着器９ａに導入された原料空気は、まずＨ２ＯがＨ２Ｏ吸着剤６ａによって吸着除去される。この際、原料空気は、吸着熱により例えば約２７℃まで昇温する。
昇温器４によって昇温された原料空気は、配管３０を介して吸着器９ａに導入される。
吸着器９ａには、上流側から順にＨ２Ｏ吸着剤６ａ、ＣＯ２吸着剤７ａ、ＣＯ／Ｈ２酸化触媒８ａが充填されているので、吸着器９ａに導入された原料空気は、まずＨ２ＯがＨ２Ｏ吸着剤６ａによって吸着除去される。この際、原料空気は、吸着熱により例えば約２７℃まで昇温する。
次に、原料空気に含まれるＣＯ２がＣＯ２吸着剤７ａによって吸着除去され、原料空気は約２７℃の温度の状態でＣＯ／Ｈ２酸化触媒８ａが充填された酸化触媒層に導入される。
本実施形態では、酸化触媒層に導入される際の原料空気の温度が、酸化触媒反応を促進させるために必要な温度以上になっているので、原料空気は、ＣＯ／Ｈ２酸化触媒によってＣＯとＨ２が酸化除去され、精製される。
本実施形態では、酸化触媒層に導入される際の原料空気の温度が、酸化触媒反応を促進させるために必要な温度以上になっているので、原料空気は、ＣＯ／Ｈ２酸化触媒によってＣＯとＨ２が酸化除去され、精製される。
精製された原料空気は、配管４１を介してコールドボックス１０に導入され、熱交換器４２で熱交換した後に、蒸留塔４３に導入されて低温深冷分離される。精製された製品ガスは、熱交換器４２で熱交換した後に、配管４７を介して系外に導出される。
低温深冷分離において生じる廃ガスは、熱交換器４２で熱交換した後に、配管４４を介してコールドボックス１０から導出して、再生加熱器４５に導入される。
そして、廃ガスは、再生加熱器４５において昇温された後に、配管４６を介して吸着器９ｂ内に導入されて、吸着器９ｂを加熱再生する。このように、吸着器９ａ，９ｂは２基構成となっているので、一方が吸着工程にあるときは他方は再生工程にあり、吸着と再生を交互に繰り返して使用することができる。
そして、廃ガスは、再生加熱器４５において昇温された後に、配管４６を介して吸着器９ｂ内に導入されて、吸着器９ｂを加熱再生する。このように、吸着器９ａ，９ｂは２基構成となっているので、一方が吸着工程にあるときは他方は再生工程にあり、吸着と再生を交互に繰り返して使用することができる。
本実施形態では、冷却水の一部を昇温器４に導入して冷却しているので、冷凍機５で冷却する際の冷却水の温度が、従来と比較して低くなっている。この結果、冷却水を冷却するエネルギーを低減することができ、原料空気の冷却エネルギーを削減することができる。
例えば、図３の従来の前処理方法と比較すると、従来であれば冷凍機６４において冷却水を常温である３０℃程度から５℃まで冷却する必要があったが、本実施形態では、冷凍機５において冷却水を２３℃程度から５℃まで冷却することになるので、冷凍機５に必要な消費電力を低減できる。
また、吸着器９ａ，９ｂに導入する前に原料空気は、昇温されているので、吸着器９ａ，９ｂを導出する原料空気の温度が従来と比較して高い温度となる。この結果、吸着器９ａ，９ｂとコールドボックス１０を繋ぐ配管４１で結露が起こることを防止することができる。また、熱交換器４２内において、原料空気と熱交換した製品ガスや廃ガスの温度は、従来と比較して高くなるので、熱交換器４２や配管４４，４７に結露が生じたり、垂れて床面をぬらしたりすることがなくなった。
また、予め原料空気を水洗冷却塔３で２０℃未満に冷却し、水洗冷却塔３の出口で水滴を除去しているので、吸着器９ａ，９ｂ内に導入する温度が約２０℃であっても、原料空気に含まれる水分量は少ない。
例えば、水洗冷却塔３で８℃まで冷却する場合、吸着器９ａ，９ｂに導入される原料空気が約２０℃であっても、この原料空気に同伴される水分量は、８℃飽和状態における水分量ということになる。
したがって、吸着器９ａ，９ｂに導入する原料空気の温度が上昇しても吸着器９ａ，９ｂで除去すべきＨ２Ｏ量は増加せず、Ｈ２Ｏ吸着に必要なＨ２Ｏ吸着剤６ａ，６ｂの大幅な増大を回避できる。
したがって、吸着器９ａ，９ｂに導入する原料空気の温度が上昇しても吸着器９ａ，９ｂで除去すべきＨ２Ｏ量は増加せず、Ｈ２Ｏ吸着に必要なＨ２Ｏ吸着剤６ａ，６ｂの大幅な増大を回避できる。
この結果、本実施形態では、吸着器９ａ，９ｂに導入する原料空気の温度を酸化触媒反応に必要な温度以上にしつつ、Ｈ２Ｏ吸着剤６ａ，６ｂを再生させるために必要な熱量を減らすことができる。これにより、水洗冷却塔３を用いる前処理方法でありながら、吸着器９ａ，９ｂ内にＣＯ／Ｈ２酸化触媒８ａ，８ｂを充填することが可能となり、触媒筒及び周辺機器類を別途設置することなく、原料空気からＣＯやＨ２を除去できる。
以上、本発明を実施形態に基づき説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、上記実施形態では、ＣＯ／Ｈ２酸化触媒８ａ，８ｂとして特許第３７８２２８８号公報に記載された酸化触媒について例示したが、本発明ではその他の酸化触媒を用いてもよく、酸化触媒を用いなくてもよい。
例えば、上記実施形態では、ＣＯ／Ｈ２酸化触媒８ａ，８ｂとして特許第３７８２２８８号公報に記載された酸化触媒について例示したが、本発明ではその他の酸化触媒を用いてもよく、酸化触媒を用いなくてもよい。
また、Ｈ２Ｏ吸着剤６ａ，６ｂ、ＣＯ２吸着剤７ａ，７ｂ、ＣＯ／Ｈ２酸化触媒８ａ，８ｂが必ずしも同一容器内に設置されている必要はなく、吸着剤、酸化触媒が設置される容器が、物理的に分割されていてもよい。
例えば、吸着剤のみ充填された吸着器、及び酸化触媒のみ充填された酸化触媒塔を、この順に設置してもよい。
例えば、吸着剤のみ充填された吸着器、及び酸化触媒のみ充填された酸化触媒塔を、この順に設置してもよい。
また、吸着剤、酸化触媒の設置の順番を特定する必要はない。例えば、特許第３２７９５８５号公報に開示された様に、上流側から順にＨ２Ｏ吸着剤、ＣＯ／Ｈ２酸化触媒、ＣＯ２吸着剤が設置された吸着器を採用しても構わない。
また、特許第３６３４１１５号公報に示されている様に、上流側から順にＣＯ酸化触媒、Ｈ２Ｏ吸着剤、ＣＯ２吸着剤、Ｈ２酸化触媒が設置された吸着器を採用しても構わない。
また、特許第３６３４１１５号公報に示されている様に、上流側から順にＣＯ酸化触媒、Ｈ２Ｏ吸着剤、ＣＯ２吸着剤、Ｈ２酸化触媒が設置された吸着器を採用しても構わない。
また、原料空気中に含まれるＣＯ、Ｈ２ともに酸化除去する場合について説明したが、ＣＯ，Ｈ２のどちらか一方を除去する場合であっても、両方除去しない場合であっても構わない。
また、冬季などにおいてクーリングタワーからの冷却水の温度が低下し、吸着器９ａ，９ｂに導入する原料空気の温度が２０℃以上の規定の温度を下回る場合は、他の温水、例えば図１で示す水洗冷却塔３の温排水の一部を分岐して配管４８を介して冷却水に混合させ、必要な水温としても構わない。
以下、本発明を実施例および比較例により、更に詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施例等によって何ら限定されるものではない。
実施例では、図１に示したような前処理装置を用いて空気の低温深冷分離における前処理を行い、比較例では、図３に示したような前処理装置を用いて前処理を行った。
実施例および比較例についての冷凍機仕様を表１に、吸着器およびその周辺の機器仕様を表２に示す。
実施例および比較例についての冷凍機仕様を表１に、吸着器およびその周辺の機器仕様を表２に示す。
なお、表１中の冷却水量、消費電力、および表２中のＨ２Ｏ吸着剤量、ＣＯ２吸着剤量、ＣＯ／Ｈ２酸化触媒量、再生用廃ガス量、消費電力（再生加熱器）は、それぞれ実施例の値を１００としたときの相対値を示している。
また、消費電力（触媒用加熱器）は、実施例の消費電力（再生加熱器）の値を１００としたときの相対値を示している。
また、消費電力（触媒用加熱器）は、実施例の消費電力（再生加熱器）の値を１００としたときの相対値を示している。
表１、表２に示すように、実施例では、吸着器に導入されるＨ２Ｏ量、ＣＯ２量は従来プロセスと同量であるが、吸着温度が高くなるので吸着除去に必要な吸着剤量はやや増加する。
加えて、吸着器内に酸化触媒の追加充填が必要になるので、吸着器再生に必要な加熱再生用廃ガス量は増加する。それに伴い、再生加熱用の熱量、電熱ヒーター採用の場合はその電力量は増加する。
加えて、吸着器内に酸化触媒の追加充填が必要になるので、吸着器再生に必要な加熱再生用廃ガス量は増加する。それに伴い、再生加熱用の熱量、電熱ヒーター採用の場合はその電力量は増加する。
しかし、条件によっては冷凍機の動力削減分と相殺する。更に、例えば酸素製造工場等の様に、前処理吸着器の再生用として比較的安価な蒸気等が利用できる場合、又、内部断熱方式の吸着塔を採用した場合、本発明の前処理装置はより優位となる。
また、原料空気中に触媒毒が含まれている場合でも、高温触媒プロセスで処理する方法に比較してその影響を受け難く、触媒毒に起因する触媒交換再生等のメンテナンスの頻度が大幅に低減される。
加えて、触媒筒用加熱器の電力も不要となり、消費電力の点でも優れている。
加えて、触媒筒用加熱器の電力も不要となり、消費電力の点でも優れている。
さらに、実施例では、吸着器の出口温度は２５℃前後となるので、吸着器とコールドボックスを繋ぐ配管や、コールドボックス内の熱交換器等で必要であった結露対策が不要となる。
１・・・前処理装置、２・・・空気圧縮機、３・・・水洗冷却塔、４・・・昇温器、５・・・冷凍機、６ａ，６ｂ・・・Ｈ２Ｏ吸着剤、７ａ，７ｂ・・・ＣＯ２吸着剤、８ａ，８ｂ・・・ＣＯ／Ｈ２酸化触媒、９ａ，９ｂ・・・吸着器、１０・・・コールドボックス、２１，２２，２３，２４，２５，２７，２８，２９，３０，４１，４４，４６，４７・・・配管、２６ａ，２６ｂ・・・ポンプ、４２・・・熱交換器、４３・・・蒸留塔、４５・・・再生加熱器
Claims (4)
- 空気の低温深冷分離における前処理方法であって、
原料空気を昇圧する工程と、
昇圧された前記原料空気を水洗冷却塔で２０℃未満に冷却する工程と、
冷却された前記原料空気を昇温器で昇温する工程と、
昇温された前記原料空気を吸着器に導入し、該吸着器で前記原料空気に含まれる水蒸気と二酸化炭素を吸着除去して精製する工程と、を有し、
冷却水の一部を前記昇温器に導入して冷却した後に、冷凍機で冷却して前記水洗冷却塔に導入していることを特徴とする空気の低温深冷分離における前処理方法。 - 前記吸着器で前記原料空気に含まれる水蒸気と二酸化炭素を除去する工程において、
一酸化炭素および水素の少なくとも１つを、酸化反応によって二酸化炭素または水とした後に除去することを特徴とする請求項１に記載の空気の低温深冷分離における前処理方法。 - 空気の低温深冷分離における前処理装置であって、
所定圧力まで昇圧された原料空気を２０℃以下に冷却する水洗冷却塔と、
冷却された前記原料空気を昇温する昇温器と、
前記昇温器から導出された前記原料空気中の水分と二酸化炭素を吸着除去する吸着剤を有する吸着器と、
昇温器において前記原料空気と熱交換して冷却された冷却水を冷却する冷凍機と、を有することを特徴とする空気の低温深冷分離における前処理装置。 - 前記吸着器が、一酸化炭素および水素の少なくとも１つを酸化反応させる触媒を有することを特徴とする請求項３に記載の空気の低温深冷分離における前処理装置。
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