JP6130567B1 - 酸素ガスの製造方法、およびその装置 - Google Patents
酸素ガスの製造方法、およびその装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP6130567B1 JP6130567B1 JP2016164865A JP2016164865A JP6130567B1 JP 6130567 B1 JP6130567 B1 JP 6130567B1 JP 2016164865 A JP2016164865 A JP 2016164865A JP 2016164865 A JP2016164865 A JP 2016164865A JP 6130567 B1 JP6130567 B1 JP 6130567B1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- oxygen
- heat exchanger
- argon
- fluid
- temperature fluid
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 135
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 89
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 40
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 294
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 186
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 147
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 103
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 103
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 103
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 28
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 15
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 10
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims description 9
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 claims description 6
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 claims description 4
- 238000000926 separation method Methods 0.000 abstract description 44
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 38
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 30
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 26
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 14
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 12
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 9
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 7
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 4
- 101150004094 PRO2 gene Proteins 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 3
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 3
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 3
- 239000003570 air Substances 0.000 description 2
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 2
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 2
- 230000006837 decompression Effects 0.000 description 2
- 238000004821 distillation Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 2
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000567 combustion gas Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
- F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
- F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
- F25J3/04248—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion
- F25J3/04284—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams
- F25J3/0429—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams of feed air, e.g. used as waste or product air or expanded into an auxiliary column
- F25J3/04303—Lachmann expansion, i.e. expanded into oxygen producing or low pressure column
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
- F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
- F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
- F25J3/04006—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit
- F25J3/04078—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit providing pressurized products by liquid compression and vaporisation with cold recovery, i.e. so-called internal compression
- F25J3/0409—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit providing pressurized products by liquid compression and vaporisation with cold recovery, i.e. so-called internal compression of oxygen
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
- F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
- F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
- F25J3/04151—Purification and (pre-)cooling of the feed air; recuperative heat-exchange with product streams
- F25J3/04187—Cooling of the purified feed air by recuperative heat-exchange; Heat-exchange with product streams
- F25J3/04193—Division of the main heat exchange line in consecutive sections having different functions
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
- F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
- F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
- F25J3/04248—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion
- F25J3/04278—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using external refrigeration units, e.g. closed mechanical or regenerative refrigeration units
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
- F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
- F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
- F25J3/04406—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using a dual pressure main column system
- F25J3/04412—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using a dual pressure main column system in a classical double column flowsheet, i.e. with thermal coupling by a main reboiler-condenser in the bottom of low pressure respectively top of high pressure column
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
- F25J2250/30—External or auxiliary boiler-condenser in general, e.g. without a specified fluid or one fluid is not a primary air component or an intermediate fluid
- F25J2250/40—One fluid being air
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
- F25J2250/30—External or auxiliary boiler-condenser in general, e.g. without a specified fluid or one fluid is not a primary air component or an intermediate fluid
- F25J2250/58—One fluid being argon or crude argon
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J2270/00—Refrigeration techniques used
- F25J2270/12—External refrigeration with liquid vaporising loop
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J2270/00—Refrigeration techniques used
- F25J2270/58—Quasi-closed internal or closed external argon refrigeration cycle
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Emergency Medicine (AREA)
- Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)
Abstract
【課題】空気分離装置などに用いられる酸素ガス製造装置に備えられた熱交換器の熱交換効率を高められる技術を提供する。【解決手段】アルゴン含有高温流体と液体酸素含有低温流体とを熱交換器へ供給し、前記高温流体と前記低温流体との間で熱交換を行い、酸素ガスを製造する。前記高温流体は、例えば、アルゴンを５０体積％以上含有してもよい。前記高温流体は、例えば、酸素を含有してもよい。【選択図】図２
Description
本発明は、高温流体と酸素含有低温流体とを熱交換器へ供給し、高温流体と酸素含有低温流体との間で熱交換を行い、酸素ガスを製造する方法、およびその装置に関する。
製鉄所、銅精錬、化学、電子産業などの工場、発電設備等では、酸素ガスが用いられる。例えば、製鉄所および火力発電所では、空気よりも酸素濃度の高い酸素富化空気を用いてバーナーを燃焼させることによって、排気ガスからの熱損失を削減し、燃焼効率を向上させる酸素富化燃焼技術が適用されつつある。
そこで、製鉄所等では、酸素ガスを自給するために、酸素ガスの製造装置が併設されている。酸素ガス製造装置は、熱交換器を備えており、該熱交換器へ高温流体と酸素含有低温流体とを供給し、高温流体と酸素含有低温流体との間で熱交換を行うことによって酸素ガスを製造できる。こうした酸素ガスの製造装置は、例えば、空気分離装置で用いることができる。
空気分離装置では、高温流体として圧縮機等で圧縮した圧縮空気を熱交換器へ供給し、該熱交換器に別途低温流体を供給し、高温流体と低温流体との間で熱交換する。低温流体の種類によって、酸素、窒素、またはアルゴン等を製造できる。
上記空気分離装置の一例として、深冷式空気分離装置の代表的な構成について図１を用いて説明する。
図１に示した深冷式空気分離装置１は、空気圧縮機２、吸着器３ａ、３ｂ、熱交換器４、高圧精留塔５、低圧精留塔６、低圧精留塔６内に設けられた凝縮器６ａ、冷却設備７、および膨張タービン９を主として備えている。冷却設備７と吸着器３ａ、３ｂは、まとめて前処理設備と呼ばれることがある。また、熱交換器４、高圧精留塔５、および低圧精留塔６は、図示しないコールドボックス内に収容されている。本明細書では、上記前処理設備とコールドボックスをまとめて空気分離設備８と呼び、空気分離設備８と上記空気圧縮機２をまとめて空気分離装置１と呼ぶことがある。また、高圧精留塔５および低圧精留塔６をまとめて精留塔と呼ぶことがある。
深冷式空気分離装置１へ供給される原料空気は、空気圧縮機２によって高圧精留に必要な約３００〜５００ｋＰａＧの圧力に昇圧圧縮され、冷却設備７で冷却された後、吸着器３ａ、３ｂで二酸化炭素、水分、炭化水素等の不純物が除去される。吸着器３ａ、３ｂを経た原料空気は、経路Ｌ１を通り、コールドボックスに供給される。コールドボックスに供給された原料空気は、熱交換器４のＨｏｔ側に供給され、該熱交換器４で冷却され、経路Ｌ１により高圧精留塔５の底部へ供給される。また、熱交換器４で冷却された原料空気の一部は、熱交換器４内で経路Ｌ１が分岐した分岐路Ｌ１ｂにより膨張タービン９へ供給され、減圧された後、低圧精留塔６へ供給される。
高圧精留塔５の底部へ供給された原料空気は、高圧精留塔５内を上昇中に下降液と向流接触を行い、蒸留により低沸点成分が増加することで液体窒素と酸素リッチな液体空気とに精留分離される。高圧精留塔５内で精留分離された液体窒素および酸素リッチな液体空気は、図示しない経路により低圧精留塔６へ供給される。
低圧精留塔６に供給された液体窒素と酸素リッチな液体空気は上昇ガスと向流接触を起こし、蒸留により低圧精留塔６内で窒素ガスと液体酸素とに精留分離される。
一方、高圧精留塔５内の窒素ガスは経路Ｌ２を通して低圧精留塔６に設けられた凝縮器６ａへ供給される。凝縮器６ａでは、供給された窒素ガスと低圧精留塔６内の底部に溜まった液体酸素との間で熱交換を行って、該液体酸素を気化させて酸素ガスとし、窒素ガスを凝縮して液体窒素とする。この熱交換に必要な窒素ガスと液体酸素との温度差を確保するために、高圧精留塔５および低圧精留塔６の各運転圧力が設定される。
上記低圧精留塔６内で気化して生成した酸素ガスは、経路Ｌ５の途中に設けられた熱交換器４のＣｏｌｄ側へ送られて常温に戻された後、製品酸素として回収される。経路Ｌ５から回収される酸素ガスは、おおよそ１０〜３０ｋＰａＧ程度の低圧ガスである。なお、上記低圧精留塔６内で気化して生成した酸素ガスの一部は、低圧精留塔６内で上昇ガスとなり、精留分離に利用される。
上記低圧精留塔６内で分離された窒素ガスは、低圧精留塔６の頂部から取り出され、経路Ｌ１０の途中に設けられた熱交換器４のＣｏｌｄ側へ送られて常温に戻された後、製品窒素として回収される。経路Ｌ１０から回収される窒素ガスは、おおよそ５〜２０ｋＰａＧ程度の低圧ガスである。
なお、上記凝縮器６ａ内で生成した液体窒素は、経路Ｌ８を通して高圧精留塔５へ供給される。
ところで、空気分離装置において酸素ガスを製造する方法としては、外部昇圧プロセス（ＧＯＸプロセスと呼ばれることもある。）と内部昇圧プロセス（Ｐｕｍｐｅｄ ＬＯＸプロセスと呼ばれることもある。）が知られている。
外部昇圧プロセスは、低圧精留塔の底部から酸素ガスを取り出し、取り出した酸素ガスと原料空気とを熱交換器で熱交換し、常温の酸素ガスを製造する方法である。得られた常温の酸素ガスは酸素圧縮機で製品圧まで昇圧される。ところが酸素圧縮機では助燃性気体である酸素を断熱圧縮するため非常に危険であり、安全のために材質、構造、制御の全ての面で特別な配慮が必要となる。例えば、圧縮機の規模と圧力によっては、酸素圧縮機の設置場所周辺を危険区域として管理したり、防護壁を構築することが推奨されている（非特許文献１）。従って酸素圧縮機は非常に高価な機械となるため、外部昇圧プロセスは、設備コスト面で不利である。また、酸素圧縮機は取り扱いが複雑になるため、継続的に必要となるメンテナンスコストも大きくなる。
一方、内部昇圧プロセスは、低圧精留塔の底部から液体酸素を取り出し、取り出した液体酸素をポンプで製品圧まで昇圧した後、熱交換器で原料空気と熱交換して蒸発、昇温させて酸素ガスを製造する方法である（非特許文献２）。内部昇圧プロセスでは、製品圧まで液体酸素をポンプで昇圧しているため、外部昇圧プロセスで用いられる酸素圧縮機は不要となる。従って、内部昇圧プロセスでは、酸素圧縮機に伴う数多くの災害の可能性を排除できる。また、内部昇圧プロセスでは、精留塔の凝縮器（図１では凝縮器６ａ）での炭化水素の濃縮倍率が５倍となり、外部昇圧プロセスでの５０〜１００倍に比べて非常に低くなる（非特許文献３）。
内部昇圧プロセスを用いた酸素の製造方法としては、例えば、特許文献１の技術が知られている。特許文献１に開示されている技術は、熱交換器での熱応力を低下させることができ、これにより酸素を必要な圧力まで安全に昇圧させることができる酸素の製造方法を提供することを目指して成されたものである。この製造方法は、液体酸素を臨界圧力以上の圧力に加圧した後、熱交換器に低温側流体として導入し、熱交換器内で、全流域を通じて高温側流体との温度差が２０℃以下となる状態で臨界温度以上まで昇温させて取り出すところに特徴がある。
「遠心式酸素圧縮機安全指針（国際整合化指針）」、一般社団法人日本産業・医療ガス協会、平成２５年６月、ｐ．５
「空気液化分離装置の安全運転指針（参考国際整合化文章）」、一般社団法人日本産業・医療ガス協会、平成２６年１０月、ｐ．２
Ｗ．Ｐ．Ｓｃｈｍｉｄｔ，Ｋ．Ｓ．Ｗｉｎｅｇａｒｄｎｅｒ，Ｍ．Ｄｅｎｎｅｈｙ，ａｎｄ Ｈ．Ｃａｓｔｌｅ−Ｓｍｉｔｈ、「Ｓａｆｅ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ Ａｉｒ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｕｎｉｔ」、Ａｉｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｉｎｃ．、２００１年、ｐ．７
空気分離装置は、設備によっては数十ＭＷもの電力エネルギーを必要とする。しかし、二酸化炭素などによる地球温暖化やエネルギー価格の高騰から、空気分離装置には、一層の省エネルギー化が求められており、熱交換器における熱交換効率を数％高めるだけでも多大な省エネルギー化を達成できる。
本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであり、その目的は、空気分離装置などに用いられる酸素ガス製造装置に備えられた熱交換器の熱交換効率を高められる技術を提供することにある。
上記課題を解決することのできた本発明に係る酸素ガスの製造方法は、アルゴン含有高温流体と液体酸素含有低温流体とを熱交換器へ供給し、前記高温流体と前記低温流体との間で熱交換を行う点に要旨を有する。
前記高温流体は、アルゴンを５０体積％以上含有してもよい。前記高温流体は、酸素を含有してもよい。熱交換して得られた液化アルゴン含有流体は、気化した後、前記熱交換器へ返送し、得られたアルゴン含有高温流体を、前記熱交換器へ再度供給してもよい。
一方、上記課題を解決することのできた本発明に係る酸素ガスの製造装置は、熱交換器と、前記熱交換器へアルゴン含有高温流体を供給する手段と、前記熱交換器へ液体酸素含有低温流体を供給する手段とを有する点に要旨がある。
上記酸素ガスの製造装置は、前記熱交換器より上流側に、前記アルゴン含有高温流体を昇圧する手段を更に有してもよい。上記酸素ガスの製造装置は、前記熱交換器を経て得られた液化アルゴン含有流体を気化する蒸発手段を更に有してもよい。上記酸素ガスの製造装置は、前記熱交換器と前記蒸発手段との間に、前記液化アルゴン含有流体の圧力を減圧する手段を更に有してもよい。上記酸素ガスの製造装置は、原料空気を圧縮する第１空気圧縮機と、前記第１空気圧縮機で圧縮された圧縮空気から、少なくとも酸素を分離する高圧精留塔および低圧精留塔を備える精留塔と、前記第１空気圧縮機で圧縮された圧縮空気を、前記熱交換器を介して前記高圧精留塔へ供給する第１経路とを更に有してもよい。前記第１経路は、前記第１空気圧縮機と前記熱交換器の間、または前記熱交換器内で分岐し、分岐した分岐路は、前記蒸発手段へ接続されていてもよい。前記分岐路には、分岐位置より下流側で、前記熱交換器よりも上流側に第２空気圧縮機を設けてもよい。
高温流体と液体酸素含有低温流体とを熱交換器へ供給し、高温流体と低温流体との間で熱交換して酸素ガスを製造するにあたり、本発明では、高温流体としてアルゴンを含有する流体を用いることによって、熱交換器内における高温流体と液体酸素含有低温流体との温度差を小さくできる。その結果、熱交換器における熱交換効率を高めることができ、省エネルギー化を実現できる。
本発明者らは、高温流体と液体酸素含有低温流体とを熱交換器へ供給し、高温流体と低温流体との間で熱交換を行って酸素ガスを製造するにあたり、熱交換器における熱交換効率を高めることを目指して、鋭意検討を重ねてきた。その結果、高温流体としてアルゴン含有流体を用いれば、熱交換器内における高温流体と液体酸素含有低温流体との温度差を小さくできるため、熱交換器における熱交換効率を高められることを見出し、本発明を完成した。
以下、本発明について詳述する。
まず、熱交換器で行われる熱交換について説明する。
上述したように、内部昇圧プロセスを用いた空気分離装置で用いられる酸素ガスの製造装置に備えられた熱交換器には、通常、高温流体として圧縮空気が供給され、別途供給される低温流体との間で熱交換が行われる。このとき、低温流体が酸素を含有する場合は、熱交換により酸素ガスを製品として製造できる。
ここで、空気および酸素について、圧力と沸点の関係を下記表１に示す。なお、空気の臨界圧は３６２０ｋＰａＧであり、酸素の臨界圧は４８７０ｋＰａＧである。
上記表１から明らかなように、酸素の沸点は空気の沸点より相対的に高いことが分かる。常圧の場合は、空気の沸点は−１９４℃であるのに対し、酸素の沸点は−１８３℃である。このように酸素の沸点は、空気の沸点より相対的に高いため、内部昇圧プロセスで熱交換するときに高温流体として空気を用い、低温流体として液体酸素を用いる場合は、酸素の圧力を低くするか、空気の圧力を高くする必要がある。即ち、熱交換器において高温流体と低温流体の間で熱交換を成立させるには、高温流体の温度（沸点）を低温流体の温度（沸点）より高くする必要があるため、低温流体として供給する酸素の圧力または高温流体として供給する空気の圧力を適宜調整する必要がある。
ここで、一例として、製品として５００ｋＰａＧの酸素を製造する場合について具体的に説明する。
５００ｋＰａＧの圧力下では、上記表１から明らかなように、酸素の沸点は−１６１．７℃であるのに対し、空気の沸点は−１７４．５℃である。そして、酸素と空気の間で効率良く熱交換させるには、高温流体（空気）の沸点が低温流体（酸素）の沸点より２℃程度高くなるように、調整することが有効である。そこで、空気の沸点を酸素の沸点である−１６１．７℃より２℃程度高い−１５９．７℃程度にするには、上記表１から明らかなように、空気の圧力を１４５０ｋＰａＧ程度に高める必要がある。このように空気の圧力を高めるには、圧縮機に多大な負担がかかる。
そこで、本発明者らが鋭意検討した結果、高温流体として、空気の代わりにアルゴン含有流体を用いれば、液体酸素含有低温流体との熱交換効率を高めることができるとの知見が得られた。以下、高温流体としてアルゴン含有流体を用いることのメリットについて説明する。
アルゴンについて、圧力と沸点の関係を上記表１に併せて示す。なお、アルゴンの臨界圧は４７６０ｋＰａＧである。
上記表１から明らかなように、例えば、５００ｋＰａＧの圧力下では、酸素の沸点は−１６１．７℃であるのに対し、空気の沸点は−１７４．５℃で、アルゴンの沸点は−１６４．６℃であり、アルゴンの沸点は空気の沸点より高い。従って、酸素とアルゴンとの沸点の温度差は、酸素と空気との沸点の温度差より小さい。即ち、酸素の圧力と沸点の関係は、空気の圧力と沸点の関係よりもアルゴンの圧力と沸点の関係の方が近似している。これは、酸素とアルゴンの熱力学的な物性が近いことに起因していると考えられる。
ここで、酸素とアルゴンの間で熱交換させることを考えると、アルゴンの沸点を酸素の沸点である−１６１．７℃より２℃程度高い−１５９．７℃程度にするには、上記表１から明らかなように、アルゴンの圧力は７５０ｋＰａＧ程度とすればよいことが分かる。従って、高温流体として空気を用いるよりもアルゴンを用いた方が、圧縮機にかかる負担を低減できる。
なお、物性を考慮すれば、高温流体として酸素を用い、液体酸素含有低温流体との間で熱交換させることが熱交換率は最も良くなると考えられる。例えば、高温流体として供給する酸素の沸点を、低温流体として供給する酸素の沸点である−１６１．７℃より２℃程度高い−１５９．７℃程度にするには、上記表１から明らかなように、５８０ｋＰａＧ程度とすればよいことが分かる。しかし、高温流体として酸素を供給するには、酸素圧縮機を用いて酸素を昇圧させる必要があるため、外部昇圧プロセスと同様の問題が生じる。
上記アルゴン含有高温流体に含まれるアルゴン量は特に限定されないが、アルゴンを５０体積％以上含有することが好ましい。アルゴンは、より好ましくは７５体積％以上であり、最も好ましくはアルゴン１００体積％である。
上記アルゴン含有高温流体の残部は、例えば、酸素であってもよい。酸素を含有することにより、低温流体との熱交換効率を高めることができる。しかし、酸素量が多くなると、外部昇圧プロセスと同様の問題が生じる。
上記熱交換器で熱交換して得られた液化アルゴン含有流体は、気化させた後、前記熱交換器へ返送し、得られたアルゴン含有高温流体を、前記熱交換器へ再度供給してもよい。本発明によれば、アルゴン含有流体を循環利用できる。
上記液化アルゴン含有流体を気化させるには、例えば、蒸発器を用いることができる。
上記液化アルゴン含有流体は、気化させる前に、減圧してもよい。減圧には、例えば、減圧弁を用いることができる。
上記アルゴン含有高温流体は、必要により昇圧してから熱交換器へ供給してもよい。昇圧には、例えば、昇圧機を用いることができる。
次に、本発明に係る酸素ガスの製造装置について説明する。
上記酸素ガスの製造装置は、熱交換器と、前記熱交換器へアルゴン含有高温流体を供給する手段と、前記熱交換器へ液体酸素含有低温流体を供給する手段とを有する点に特徴がある。
上記アルゴン含有高温流体を供給する手段は、熱交換器のＣｏｌｄ側へ供給される液体酸素含有低温流体と熱交換できる圧力に調整したアルゴン含有流体を熱交換器へ供給できる態様であれば、特に限定されない。
上記液体酸素含有低温流体を供給する手段は、熱交換器のＨｏｔ側へ供給されるアルゴン含有高温流体と熱交換できる圧力に調整した液体酸素含有流体を熱交換器へ供給できる態様であれば、特に限定されない。液体酸素含有流体の圧力は、通常、製造しようとする酸素の圧力に合わせて調整される。
上記酸素ガスの製造装置は、例えば、空気分離装置に好適に用いられる。
以下、上記酸素ガスの製造装置を備えた空気分離装置について図面を用いて詳細に説明する。本発明は、下記図面に限定されるものではなく、前記および後記の趣旨に適合し得る範囲で設計変更してもよい。
図２は、本発明に係る酸素ガスの製造装置を備えた第１の空気分離装置の構成例を示した模式図である。上記図１に示した深冷式空気分離装置と同一の箇所には同じ符号を付し、重複説明を避ける。
図２において、２ａは第１空気圧縮機、２１はアルゴン用昇圧機、２２は減圧弁、２３はアルゴン蒸発器容器、２３ａはアルゴン蒸発器容器２３内に設けられたアルゴン蒸発器（例えば、アルミプレートフィン熱交換器など）、３１は液体酸素昇圧用ポンプ、Ｌ１は第１経路、Ｌ１ｂおよびＬ１ｃは第１経路Ｌ１の分岐路、Ｌ２はアルゴン含有流体を循環させる経路、Ｌ３は低圧精留塔から液体酸素を熱交換器４へ供給し、熱交換器４を経て酸素ガスを回収する経路、をそれぞれ示している。上記アルゴン蒸発器２３ａは、上記蒸発手段に対応している。なお、図２においては、上記図１に示した前処理設備は図示していない。また、図２においては、上記図１に示した経路の一部を省略し、図示していない。
上記第１経路Ｌ１は、第１空気圧縮機２ａと高圧精留塔５を、熱交換器４を介して接続する経路である。原料空気として、第１空気圧縮機２ａで圧縮された圧縮空気を、第１経路Ｌ１を通して高圧精留塔５へ供給する。
上記第１経路Ｌ１は、上記第１空気圧縮機２ａと上記熱交換器４の間で分岐し、分岐した分岐路Ｌ１ｃは、熱交換器４を経て蒸発手段（図２では、アルゴン蒸発器２３ａ）へ接続されている。なお、前記第１経路Ｌ１は、前記熱交換器内で分岐してもよい（図示せず）。
上記経路Ｌ２は、アルゴン含有流体を循環させる経路であり、経路Ｌ２上には、アルゴン用昇圧機２１、減圧弁２２、アルゴン蒸発器容器２３が設けられている。アルゴン蒸発器容器２３の内部には、アルゴン蒸発器２３ａが設けられている。アルゴン蒸発器２３ａは、経路Ｌ１ｃから供給される気体空気を液体空気とする凝縮器として作用する。
図２に示した第１の空気分離装置においては、アルゴン用昇圧機２１、減圧弁２２、アルゴン蒸発器２３ａを備えたアルゴン蒸発器容器２３を設けた循環経路Ｌ２全体が、アルゴン含有高温流体を供給する手段に対応している。
上記アルゴン用昇圧機２１としては、アルゴン含有流体を昇圧できるものであれば特に限定されない。
上記減圧弁２２としては、熱交換器４を経て得られた液化アルゴンを減圧できるものであれば特に限定されない。
上記アルゴン蒸発器２３ａは、上記蒸発手段に対応している。上記アルゴン蒸発器２３ａでは、上記経路Ｌ２から供給されるアルゴン含有流体と、上記分岐路Ｌ１ｃから供給される原料空気との間で熱交換され、アルゴン流体は気化し、原料空気は液化する。
上記経路Ｌ３は、低圧精留塔６と熱交換器４とを接続すると共に、熱交換器４を経て酸素ガスを回収する経路である。経路Ｌ３上には、低圧精留塔６と熱交換器４の間に、液体酸素昇圧用ポンプ３１が設けられている。低圧精留塔６から抜き出した液体酸素は、経路Ｌ３を通して、熱交換器４へ供給され、別途熱交換器４に供給されるアルゴン含有高温流体との間で熱交換することによって昇温し、製品酸素ガスとして取り出すことができる。図２に示した第１の空気分離装置においては、液体酸素昇圧用ポンプ３１を設けた経路Ｌ３全体が、液体酸素含有低温流体を供給する手段に対応している。
上記液体酸素昇圧用ポンプ３１の種類は特に限定されず、公知のポンプを用いることができる。
上記液体酸素昇圧用ポンプ３１では、低圧精留塔６から抜き出した液体酸素を要求される製品酸素圧力まで昇圧するが、実際には機器の設計圧力（耐圧性）との兼ね合いから、例えば、１５０００ｋＰａＧ以下の範囲で昇圧することが推奨される。
上記低圧精留塔６内で分離された窒素ガスは、上記図１と同様、低圧精留塔６の頂部から取り出され、経路Ｌ１０の途中に設けられた熱交換器４のＣｏｌｄ側へ送られて常温に戻された後、製品窒素として回収される。
なお、図２において、熱交換器４のＨｏｔ側へ供給される高温流体には、経路Ｌ２から供給されるアルゴン用昇圧機２１で昇圧したアルゴン含有高温流体の他、第１経路Ｌ１および分岐路Ｌ１ｃから供給される第１空気圧縮機２ａを経た原料空気も含まれる。
熱交換器のＣｏｌｄ側へ供給される低温流体には、経路Ｌ３から供給される液体酸素含有低温流体の他、経路Ｌ１０から供給される窒素ガス、および経路Ｌ２から供給されるアルゴン蒸発器２３ａで蒸発したアルゴンも含まれる。
次に、本発明に係る酸素ガスの製造装置を備えた第２の空気分離装置の構成例について、図３を用いて説明する。図３に示した第２の空気分離装置は、上記図２に示した第１の空気分離装置の一部を変形した例である。なお、上記図１、図２と同一の箇所には同じ符号を付した。また、図３においても前処理設備は図示していない。また、図３においても経路の一部は省略し、図示していない。
図３では、第１経路Ｌ１を、第１空気圧縮機２ａと熱交換器４との間で分岐した分岐路Ｌ１ｃ上のうち、分岐位置より下流側で、熱交換器よりも上流側に、第２空気圧縮機２ｂを設けている。第２空気圧縮機２ｂを設けることによって、アルゴン蒸発器容器２３で蒸発するアルゴンの圧力が高くなるため、アルゴン用昇圧機２１へ供給されるアルゴンの圧力が高くなり、アルゴン用昇圧機２１の負荷を低減できる。
なお、図３において、熱交換器４のＨｏｔ側へ供給される高温流体には、経路Ｌ２から供給されるアルゴン用昇圧機２１で昇圧したアルゴン含有高温流体の他、第１経路Ｌ１から供給される第１空気圧縮機２ａを経た原料空気、および第１経路Ｌ１の分岐路Ｌ１ｃから供給される第２空気圧縮機２ｂを経た原料空気も含まれる。
熱交換器のＣｏｌｄ側へ供給される低温流体には、経路Ｌ３から供給される液体酸素含有低温流体の他、経路Ｌ１０から供給される窒素ガス、および経路Ｌ２から供給されるアルゴン蒸発器２３ａで蒸発したアルゴンも含まれる。
上記図２、図３に示した空気分離装置においては、上記図１と同様、第１経路Ｌ１を熱交換器４の内部で分岐させ、分岐した分岐路Ｌ１ｂを、膨張タービン９を介して低圧精留塔６に接続してもよい。圧縮空気の一部を、分岐路Ｌ１ｂを通して低圧精留塔６へ供給することによって、寒冷発生用途の圧縮空気の一部を酸素ガス製造の原料として利用できる。
上記低圧精留塔６は、上記図２、図３に示したように、上記高圧精留塔５の上方に設けることが好ましい。低圧精留塔６を高圧精留塔５の上方に設けることによって、位置エネルギーによる圧力上昇効果を利用できる。
上記図２、図３では、熱交換器４を一つ設けた構成例を示したが、熱交換器は複数設けても良い。即ち、熱交換器のＨｏｔ側に供給する流体とＣｏｌｄ側に供給する流体の種類を考慮して複数の熱交換器を設けてもよい。また、上記図２、図３では、熱交換器へアルゴン含有高温流体を供給する手段、熱交換器へ液体酸素含有低温流体を供給する手段を、それぞれ一つずつ設けた構成例を示したが、複数設けてもよい。
上記図２、図３では、前処理設備を図示していないが、前処理設備は、空気圧縮機２より下流側で、熱交換器４よりも上流側に設ければよい。
以上、本発明に係る酸素ガスの製造方法、およびその装置によれば、高温流体としてアルゴンを含有する流体を用いているため、熱交換器内における高温流体と液体酸素含有低温流体との温度差を小さくでき、熱交換器における熱交換効率を高めることができ、省エネルギー化を実現できる。
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記実施例によって制限を受けるものではなく、前記および後記の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
［実施例１］
空気分離装置で、酸素ガスを製品として製造するときの主熱交換器におけるＱ−Ｔ線図を、シュナイダーエレクトリック社製の汎用プロセスシミュレーター（Ｐｒｏ２）を用いて算出した。
空気分離装置で、酸素ガスを製品として製造するときの主熱交換器におけるＱ−Ｔ線図を、シュナイダーエレクトリック社製の汎用プロセスシミュレーター（Ｐｒｏ２）を用いて算出した。
シミュレーションに用いた空気分離装置の構成は、図２に示した本発明に係る酸素ガスの製造装置を備えた第１の空気分離装置の構成、または図１０に示した従来の代表的な空気分離装置の構成とした。図１０に示した空気分離装置と、上記図２に示した空気分離装置との違いは、図１０においては、アルゴン用昇圧機２１、減圧弁２２、アルゴン蒸発器２３ａを備えたアルゴン蒸発器容器２３、経路Ｌ１ｃ、および経路Ｌ２を設けない点と、第１経路Ｌ１が、第１空気圧縮機２ａと熱交換器４の間で分岐し、分岐した分岐路Ｌ１ｄが高圧精留塔５へ接続されている点と、分岐位置と熱交換器４の間に昇圧機２ｃを設けている点と、熱交換器４と高圧精留塔５との間に減圧弁２２ａを設けている点にある。
製品として製造する酸素ガスの圧力は、５００ｋＰａＧ、２５００ｋＰａＧ、または５５００ｋＰａＧとし、酸素ガスの流量は３５０００Ｎｍ3／ｈとした。酸素ガスの純度は、９９．７％以上とした。
図２は、高温流体としてアルゴンを用いる場合の空気分離装置を示している。
熱交換器４のＨｏｔ側へ供給する高温流体には、経路Ｌ２から供給されるアルゴン用昇圧機２１で昇圧したアルゴン１００体積％の他、第１経路Ｌ１および分岐路Ｌ１ｃから供給される第１空気圧縮機２ａを経た原料空気１００体積％も含まれる。以下、高温流体ａと呼ぶことがある。
熱交換器のＣｏｌｄ側へ供給する低温流体には、経路Ｌ３から供給される酸素濃度９９．７体積％以上の液体酸素の他、経路Ｌ１０から供給される窒素ガス、および経路Ｌ２から供給されるアルゴン蒸発器２３ａで蒸発したアルゴン１００体積％も含まれる。以下、低温流体ａと呼ぶことがある。
図１０は、高温流体として空気を用いる場合の空気分離装置を示している。
熱交換器４のＨｏｔ側へ供給する高温流体は、分岐路Ｌ１ｄから供給される昇圧機２ｃで昇圧された空気１００体積％、および第１経路Ｌ１から供給される第１空気圧縮機２ａを経た原料空気１００体積％である。以下、高温流体ｂと呼ぶことがある。
熱交換器のＣｏｌｄ側へ供給する低温流体には、経路Ｌ３から供給される酸素濃度９９．７体積％以上の液体酸素の他、経路Ｌ１０から供給される窒素ガスも含まれる。以下、低温流体ｂと呼ぶことがある。
図２に示した熱交換器４へ上記高温流体ａおよび上記低温流体ａを供給した場合と、図１０に示した熱交換器４へ上記高温流体ｂおよび上記低温流体ｂを供給した場合のＱ−Ｔ線図をそれぞれ図４〜図９に示す。
図４〜図９において、点線は高温流体（Ｈｏｔ側）のＱ−Ｔ線図であり、実線は低温流体（Ｃｏｌｄ側）のＱ−Ｔ線図をそれぞれ示している。物質が同じであれば、Ｑ−Ｔ線図の形状は同じになる。高温流体と低温流体との間で熱交換を行うには、全ての温度領域において、Ｃｏｌｄ側の温度よりもＨｏｔ側の温度の方が高い必要がある。Ｃｏｌｄ側のラインとＨｏｔ側のラインが近接しているほど、熱交換効率が高くなり、Ｃｏｌｄ側のラインとＨｏｔ側のラインの間の面積が小さいほど、熱交換効率が高いことを示している。
そこで、図４〜図９では、Ｈｏｔ側のラインが、Ｃｏｌｄ側のラインよりも右側（高温側）となり、Ｈｏｔ側のラインとＣｏｌｄ側のラインができるだけ近接し、ライン間の面積が小さくなるように流体の圧力を調整している。
図４、図６、図８は、図１０に示した熱交換器４へ上記高温流体ｂおよび上記低温流体ｂを供給したときのＱ−Ｔ線図を示している。
図４は、製品酸素として、５００ｋＰａＧの酸素ガスを製造するときのＱ−Ｔ線図を示しており、５００ｋＰａＧの酸素ガスを製造するには、Ｈｏｔ側に１４７０ｋＰａＧの空気を供給する必要がある。
図６は、製品酸素として、２５００ｋＰａＧの酸素ガスを製造するときのＱ−Ｔ線図を示しており、２５００ｋＰａＧの酸素ガスを製造するには、Ｈｏｔ側に６１５０ｋＰａＧの空気を供給する必要がある。
図８は、製品酸素として、５５００ｋＰａＧの酸素ガスを製造するときのＱ−Ｔ線図を示しており、５５００ｋＰａＧの酸素ガスを製造するには、Ｈｏｔ側に８７００ｋＰａＧの空気を供給する必要がある。
図５、図７、図９は、図２に示した熱交換器４へ上記高温流体ａおよび上記低温流体ａを供給したときのＱ−Ｔ線図を示している。
図５は、製品酸素として、５００ｋＰａＧの酸素ガスを製造するときのＱ−Ｔ線図を示しており、５００ｋＰａＧの酸素を製造するには、Ｈｏｔ側に７６０ｋＰａＧのアルゴンを供給する必要がある。
図７は、製品酸素として、２５００ｋＰａＧの酸素ガスを製造するときのＱ−Ｔ線図を示しており、２５００ｋＰａＧの酸素ガスを製造するには、Ｈｏｔ側に３１５０ｋＰａＧのアルゴンを供給する必要がある。
図９は、製品酸素として、５５００ｋＰａＧの酸素ガスを製造するときのＱ−Ｔ線図を示しており、５５００ｋＰａＧの酸素ガスを製造するには、Ｈｏｔ側に６３３０ｋＰａＧのアルゴンを供給する必要がある。
図４と図５、図６と図７、図８と図９をそれぞれ比較すると、製品として製造する酸素ガスの圧力を一定にした場合、Ｈｏｔ側に空気を供給するよりもアルゴンを供給した方が、ライン間の面積が小さくなり、熱交換の効率が高くなることが分かる。また、Ｈｏｔ側に供給する高温流体の圧力は、空気を用いるよりもアルゴンを用いた方が低くできることが分かる。
なお、図４と図５に示したように、製品酸素として、５００ｋＰａＧの酸素ガスを製造する場合に必要な空気の圧力は１４７０ｋＰａＧで、アルゴンの圧力は７６０ｋＰａＧであり、酸素、空気、およびアルゴンのいずれも臨界圧未満である。図５から明らかなように、空気とアルゴンのＱ−Ｔ線図の形状は、酸素のＱ−Ｔ線図の形状と似ている。
図６と図７に示したように、製品酸素として、２５００ｋＰａＧの酸素ガスを製造する場合に必要な空気の圧力は６１５０ｋＰａＧで、アルゴンの圧力は３１５０ｋＰａＧであり、酸素とアルゴンは臨界圧未満であるが、空気は臨界圧以上になっている。図７から明らかなように、アルゴンのＱ−Ｔ線図の形状は、酸素のＱ−Ｔ線図の形状と似ているが、空気は臨界圧以上になっているため、図６から明らかなように、空気のＱ−Ｔ線図の形状は、酸素のＱ−Ｔ線図の形状と大きく相違している。
図８と図９に示したように、製品酸素として、５５００ｋＰａＧの酸素ガスを製造する場合に必要な空気の圧力は８７００ｋＰａＧで、アルゴンの圧力は６３３０ｋＰａＧであり、酸素、空気、およびアルゴンのいずれも臨界圧以上である。図９から明らかなように、アルゴンのＱ−Ｔ線図の形状は、酸素のＱ−Ｔ線図の形状と似ているが、図８から明らかなように、空気のＱ−Ｔ線図の形状は、酸素のＱ−Ｔ線図の形状とやや相違している。
［実施例２］
空気分離装置で、酸素ガスを製品として製造するときの圧縮機における動力を、シュナイダーエレクトリック社製の汎用プロセスシミュレーター（Ｐｒｏ２）を用いて算出した。
空気分離装置で、酸素ガスを製品として製造するときの圧縮機における動力を、シュナイダーエレクトリック社製の汎用プロセスシミュレーター（Ｐｒｏ２）を用いて算出した。
空気分離装置の構成は、上記実施例１と同様、図２に示した本発明に係る酸素ガスの製造装置を備えた第１の空気分離装置の構成、または図１０に示した従来の代表的な空気分離装置の構成とした。
製品として製造する酸素ガスの圧力は、下記表２に示すように、５００〜５５００ｋＰａＧとし、酸素ガスの流量は３５０００Ｎｍ3／ｈとした。酸素ガスの純度は、９９．７％以上とした。
図２に示した空気分離装置のアルゴン用昇圧機２１における流量、吸込圧力、吐出圧力、および理論動力を算出した。算出結果を下記表２に示す。なお、理論動力とは、等温効率１００％での圧縮仕事を意味する。
図１０に示した空気分離装置の昇圧機２ｃにおける流量、吸込圧力、吐出圧力、および理論動力を算出した。算出結果を下記表２に示す。なお、理論動力とは、等温効率１００％での圧縮仕事を意味する。
また、下記表２には、製品酸素ガスの流量に対する、アルゴン用昇圧機２１または昇圧機２ｃの流量の比（昇圧ガス／酸素比）を算出し、併せて示した。
下記表２から次のように考察できる。
圧力が５００ｋＰａＧまたは７００ｋＰａＧの酸素ガスを製造する場合は、高温流体としてアルゴンを用いるよりも、空気を用いた方が昇圧機の理論動力は低くなることが予想される。図１０に示した構成例では、第１空気圧縮機２ａで圧縮した空気をそのまま昇圧機２ｃへ導入できるため、昇圧機２ｃの入口における圧力が高くなる。そのため、昇圧機２ｃの理論動力は小さくなると考えられる。
一方、圧力が７５０ｋＰａＧ以上の酸素ガスを製造する場合は、高温流体として空気を用いるよりも、アルゴンを用いた方が昇圧機の理論動力は低くなることが予想される。
製造する酸素ガスの圧力が高くなるほど、昇圧機の理論動力は小さくなり、酸素ガスの圧力が２５００ｋＰａＧの場合に、理論動力削減効果は最大となる。
また、高温流体として空気を用いた場合は、製品酸素ガスの流量に対する、昇圧機２ｃの流量の比（昇圧ガス／酸素比）は、１．２６〜１．６０であった。よって、高温流体として空気を用いると、製品として回収する酸素ガスの量よりも約３０〜６０％多い昇圧ガスが必要であった。一方、高温流体としてアルゴンを用いた場合は、製品酸素ガスの流量に対する、アルゴン用昇圧機２１の流量の比（昇圧ガス／酸素比）は、０．９９〜１．０９であった。よって、高温流体としてアルゴンを用いると、製品として回収する酸素ガスの量とほぼ等量の昇圧ガスで良いことが分かった。こうした結果からもアルゴンを用いた方が、空気を用いるよりも熱交換効率が高くなると考えられる。
［実施例３］
上記実施例１、２において、熱交換器のＨｏｔ側へアルゴン１００体積％を供給する代わりに、アルゴンと酸素の混合流体を供給して酸素ガスを製品として製造するときの主熱交換器におけるＱ−Ｔ線図、および圧縮機の動力を、シュナイダーエレクトリック社製の汎用プロセスシミュレーター（Ｐｒｏ２）を用いて算出した。
上記実施例１、２において、熱交換器のＨｏｔ側へアルゴン１００体積％を供給する代わりに、アルゴンと酸素の混合流体を供給して酸素ガスを製品として製造するときの主熱交換器におけるＱ−Ｔ線図、および圧縮機の動力を、シュナイダーエレクトリック社製の汎用プロセスシミュレーター（Ｐｒｏ２）を用いて算出した。
製品として製造する酸素ガスの圧力は、２５００ｋＰａＧとし、酸素ガスの流量は３５０００Ｎｍ3／ｈとした。酸素ガスの純度は、９９．７％以上とした。
図２において、熱交換器４のＨｏｔ側へ供給する高温流体には、経路Ｌ２から供給されるアルゴン用昇圧機２１で昇圧したアルゴン７５体積％と酸素２５体積％の混合流体、またはアルゴン５０体積％と酸素５０体積％の混合流体の他、第１経路Ｌ１および分岐路Ｌ１ｃから供給される第１空気圧縮機２ａを経た原料空気１００体積％も含まれる。以下、高温流体ｃと呼ぶことがある。また、熱交換器のＣｏｌｄ側へ供給する低温流体には、経路Ｌ３から供給される酸素濃度９９．７体積％以上の液体酸素の他、経路Ｌ１０から供給される窒素ガス、および経路Ｌ２から供給されるアルゴン蒸発器２３ａで蒸発したアルゴンと酸素の混合気体も含まれる。以下、低温流体ｃと呼ぶことがある。
図２に示した熱交換器４へ上記高温流体ｃおよび上記低温流体ｃを供給した場合のＱ−Ｔ線図を図１１に示す。
図１１と上記図７を比較すると、図７に示すように、熱交換器４へアルゴン１００体積％を供給したときのＱ−Ｔ線図と、図１１に示すように、熱交換器４へアルゴン５０体積％と酸素５０体積％の混合流体を供給したときのＱ−Ｔ線図の形状は、ほぼ同じであることが分かる。
次に、アルゴン７５体積％と酸素２５体積％の混合流体、またはアルゴン５０体積％と酸素５０体積％の混合流体を用いた場合について、図２に示した空気分離装置のアルゴン用昇圧機２１における流量、吸込圧力、吐出圧力、および理論動力を算出した。算出結果を下記表３に示す。なお、理論動力とは、等温効率１００％での圧縮仕事を意味する。
また、下記表３には、製品酸素ガスの流量に対する、アルゴン用昇圧機２１の流量の比（昇圧ガス／酸素比）を算出し、併せて示した。
下記表３には、上記表２に示したデータのうち、製品として製造する酸素ガスの圧力が２５００ｋＰａＧで、高温流体としてアルゴン１００体積％を用いたときのデータを併せて示した。
下記表３から次のように考察できる。
高温流体として用いるアルゴンに、酸素を混合することによって、アルゴン昇圧機の理論動力は低くなり、熱交換が効率良くなることが分かる。しかし、混合する酸素量を増加し過ぎると、上述した外部昇圧プロセスと同様の問題が生じる。
１ 深冷式空気分離装置
２ａ 第１空気圧縮機
２ｂ 第２空気圧縮機
２ｃ 昇圧機
３ａ、３ｂ 吸着器
４ 熱交換器
５ 高圧精留塔
６ 低圧精留塔
６ａ 凝縮器
７ 冷却設備
９ 膨張タービン
２１ アルゴン用昇圧機
２２ 減圧弁
２２ａ 減圧弁
２３ アルゴン蒸発器容器
２３ａ アルゴン蒸発器
３１ 液体酸素昇圧用ポンプ
Ｌ１ 第１経路
Ｌ１ｂ〜Ｌ１ｄ 第１経路Ｌ１の分岐路
Ｌ２、Ｌ３、Ｌ５、Ｌ８、Ｌ１０ 経路
２ａ 第１空気圧縮機
２ｂ 第２空気圧縮機
２ｃ 昇圧機
３ａ、３ｂ 吸着器
４ 熱交換器
５ 高圧精留塔
６ 低圧精留塔
６ａ 凝縮器
７ 冷却設備
９ 膨張タービン
２１ アルゴン用昇圧機
２２ 減圧弁
２２ａ 減圧弁
２３ アルゴン蒸発器容器
２３ａ アルゴン蒸発器
３１ 液体酸素昇圧用ポンプ
Ｌ１ 第１経路
Ｌ１ｂ〜Ｌ１ｄ 第１経路Ｌ１の分岐路
Ｌ２、Ｌ３、Ｌ５、Ｌ８、Ｌ１０ 経路
Claims (9)
- 原料空気を圧縮する第１空気圧縮機と、
前記第１空気圧縮機で圧縮された圧縮空気から、少なくとも酸素を分離し、分離された酸素から液体酸素含有低温流体を形成する高圧精留塔および低圧精留塔を備える精留塔と、
前記第１空気圧縮機で圧縮された圧縮空気を、熱交換器を介して前記高圧精留塔へ供給する第１経路とを有する酸素ガスの製造装置で酸素ガスを製造する方法であって、
前記熱交換器へ、アルゴンを５０体積％以上含有するアルゴン含有高温流体と前記液体酸素含有低温流体とを供給し、前記高温流体と前記低温流体との間で熱交換を行うことによって、当該低温流体から酸素ガスを製造し、且つ、
前記熱交換器を経て得られた液化アルゴン含有流体を、該液化アルゴン含有流体を気化する蒸発手段を備えた容器へ供給し、前記蒸発手段へ前記第１空気圧縮機で圧縮された圧縮空気を供給し、前記液化アルゴン含有流体と前記圧縮空気との間で熱交換することを特徴とする酸素ガスの製造方法。 - 前記高温流体は、酸素を含有する請求項１に記載の製造方法。
- 熱交換して得られた液化アルゴン含有流体を気化した後、前記熱交換器へ返送し、得られたアルゴン含有高温流体を、前記熱交換器へ再度供給する請求項１または２に記載の製造方法。
- 原料空気を圧縮する第１空気圧縮機と、
前記第１空気圧縮機で圧縮された圧縮空気から、少なくとも酸素を分離し、分離された酸素から液体酸素含有低温流体を形成する高圧精留塔および低圧精留塔を備える精留塔と、
熱交換器と、
前記第１空気圧縮機で圧縮された圧縮空気を、前記熱交換器を介して前記高圧精留塔へ供給する第１経路とを有し、
前記熱交換器へ、アルゴンを５０体積％以上含有するアルゴン含有高温流体を供給する手段と、
前記熱交換器へ、前記液体酸素含有低温流体を供給する手段とを更に有し、
前記熱交換器では、供給された前記高温流体と前記低温流体との間で熱交換して当該低温流体から酸素ガスを製造することを特徴とする酸素ガスの製造装置。 - 前記熱交換器より上流側に、前記アルゴン含有高温流体を昇圧する手段を更に有する請求項４に記載の製造装置。
- 前記熱交換器を経て得られた液化アルゴン含有流体を気化する蒸発手段を更に有する請求項４または５に記載の製造装置。
- 前記熱交換器と前記蒸発手段との間に、前記液化アルゴン含有流体の圧力を減圧する手段を更に有する請求項６に記載の製造装置。
- 前記第１経路は、前記第１空気圧縮機と前記熱交換器の間、または前記熱交換器内で分岐し、分岐した分岐路は、前記蒸発手段へ接続されている請求項４〜７のいずれかに記載の製造装置。
- 前記分岐路には、分岐位置より下流側で、前記熱交換器よりも上流側に第２空気圧縮機が設けられている請求項８に記載の製造装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016164865A JP6130567B1 (ja) | 2016-08-25 | 2016-08-25 | 酸素ガスの製造方法、およびその装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016164865A JP6130567B1 (ja) | 2016-08-25 | 2016-08-25 | 酸素ガスの製造方法、およびその装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP6130567B1 true JP6130567B1 (ja) | 2017-05-17 |
| JP2018031544A JP2018031544A (ja) | 2018-03-01 |
Family
ID=58714709
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2016164865A Active JP6130567B1 (ja) | 2016-08-25 | 2016-08-25 | 酸素ガスの製造方法、およびその装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6130567B1 (ja) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4533375A (en) * | 1983-08-12 | 1985-08-06 | Erickson Donald C | Cryogenic air separation with cold argon recycle |
| JPS61503047A (ja) * | 1984-08-20 | 1986-12-25 | エリックソン，ドナルド・シイ | 低エネルギ−高純度酸素およびアルゴン |
| JPH05203348A (ja) * | 1991-08-14 | 1993-08-10 | Linde Ag | 精留による空気の分離方法及び装置 |
| JPH07332845A (ja) * | 1994-05-27 | 1995-12-22 | Praxair Technol Inc | 極低温精留システムの容量制御方法 |
| JP3715497B2 (ja) * | 2000-02-23 | 2005-11-09 | 株式会社神戸製鋼所 | 酸素の製造方法 |
| JP2015183922A (ja) * | 2014-03-24 | 2015-10-22 | 大陽日酸株式会社 | 空気液化分離方法及び装置 |
-
2016
- 2016-08-25 JP JP2016164865A patent/JP6130567B1/ja active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4533375A (en) * | 1983-08-12 | 1985-08-06 | Erickson Donald C | Cryogenic air separation with cold argon recycle |
| JPS61503047A (ja) * | 1984-08-20 | 1986-12-25 | エリックソン，ドナルド・シイ | 低エネルギ−高純度酸素およびアルゴン |
| JPH05203348A (ja) * | 1991-08-14 | 1993-08-10 | Linde Ag | 精留による空気の分離方法及び装置 |
| JPH07332845A (ja) * | 1994-05-27 | 1995-12-22 | Praxair Technol Inc | 極低温精留システムの容量制御方法 |
| JP3715497B2 (ja) * | 2000-02-23 | 2005-11-09 | 株式会社神戸製鋼所 | 酸素の製造方法 |
| JP2015183922A (ja) * | 2014-03-24 | 2015-10-22 | 大陽日酸株式会社 | 空気液化分離方法及び装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2018031544A (ja) | 2018-03-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2387934C2 (ru) | Способ разделения воздуха на составные части при помощи криогенной дистилляции | |
| CN110307695B (zh) | 产品氮气和产品氩的制造方法及其制造装置 | |
| TW201213692A (en) | Integrated liquid storage | |
| CN111406192B (zh) | 通过与氮气膨胀机联动制动的膨胀机增压机来产生增压空气的深冷精馏方法与设备 | |
| US9810103B2 (en) | Method and device for generating electrical energy | |
| JPH07174461A (ja) | 空気を分離してガス状酸素生成物を供給圧力にて製造する方法 | |
| WO2019127343A1 (zh) | 一种基于深冷精馏生产空气产品的方法及设备 | |
| US20150192065A1 (en) | Process and apparatus for generating electric energy | |
| TWI687633B (zh) | 製氧系統及製氧方法 | |
| RU2761562C2 (ru) | Способ и устройство для разделения воздуха криогенной дистилляцией | |
| US20170175585A1 (en) | Method and installation for storing and recovering energy | |
| JP2012533719A (ja) | 加圧生成物の生成方法及び生成装置 | |
| TW201809563A (zh) | 藉由低溫分離空氣製造壓縮氮及液態氮之方法及裝置 | |
| CN105378411B (zh) | 生产至少一种空气产品的方法、空分设备、产生电能的方法和装置 | |
| JP6092804B2 (ja) | 空気液化分離方法及び装置 | |
| CN102901322B (zh) | 通过低温空气分离获得压力氮和压力氧的方法和装置 | |
| JP6842334B2 (ja) | 空気分離方法、及び空気分離装置 | |
| BRPI0706347A2 (pt) | método para a separação criogênica de ar | |
| JP5684058B2 (ja) | 空気分離方法および空気分離装置 | |
| JPH07151458A (ja) | 圧力下のガス状酸素及び／又はガス状窒素の製造方法並びに設備 | |
| JP6130567B1 (ja) | 酸素ガスの製造方法、およびその装置 | |
| JP2006349322A (ja) | 深冷空気分離装置によるアルゴン製造方法 | |
| JP5584711B2 (ja) | 空気分離装置 | |
| US20160161181A1 (en) | Method and device for producing compressed nitrogen | |
| JPH07151459A (ja) | 空気から圧力下の少なくとも一つのガスを製造する方法及び設備 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20170322 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20170404 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20170413 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6130567 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |