JP6591830B2 - 窒素及び酸素製造方法、並びに窒素及び酸素製造装置 - Google Patents
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Description
特許文献1に開示された窒素及び酸素製造装置を用いて、気体とされた高純度酸素の生産量を増加させる場合、熱交換器の性能(温度差)を維持するために、唯一の温流体である原料空気の圧力を増加させる必要がある。
このように、原料空気の圧力が増加すると、原料空気を圧縮する原料空気圧縮機の動力が大幅に増加してしまうという問題があった。
図1は、本発明の実施の形態の窒素及び酸素製造装置の概略構成を示す系統図である。
図1を参照するに、本実施の形態の窒素及び酸素製造装置10は、原料空気を深冷液化分離することで、窒素及び酸素を製造する装置である。
窒素及び酸素製造装置10は、フィルター11と、 原料空気供給用ライン12と、原料空気圧縮機14と、アフタークーラー16と、精製器17と、減圧弁18,26,44,53と、主熱交換器19と、第1精留塔22と、ライン24,31,33,35,38,41,51,56,58,63,65,73と、第1凝縮器28と、第1製品窒素回収ライン36と、第2精留塔46と、第2製品窒素回収ライン48と、第3精留塔55と、製品酸素回収ライン56と、液化酸素ポンプ57と、第2凝縮器61と、過冷器67と、製品窒素回収ライン71と、窒素ガス圧縮機69と、製品窒素回収ライン71と、分岐ライン75と、膨張タービン77と、合流用ライン79と、を有する。
原料空気供給用ライン12は、その他端が第1精留塔22の下部と接続されている。原料空気供給用ライン12の一部は、主熱交換器19内に収容されている。原料空気供給用ライン12には、フィルター11を通過した原料空気が供給される。
アフタークーラー16は、原料空気圧縮機14の後段に位置する原料空気供給用ライン12に設けられている。アフタークーラー16は、所定の圧力まで昇圧された原料空気の圧縮熱を除去する機能を有する。
減圧弁18は、主熱交換器19と第1精留塔22との間に位置する原料空気供給用ライン12に設けられている。減圧弁18は、主熱交換器19を経由した原料空気の圧力を減圧させる。減圧させられた原料空気は、第1精留塔22の下部に導入される。
第1精留塔22は、冷却された原料空気を低温蒸留することで、第1精留塔22の塔頂部に濃縮される第1窒素ガス流体と、第1精留塔22の塔底部に濃縮される第1酸素富化液化流体と、に分離させる。
第1凝縮器28では、第1精留塔22の塔頂部に位置し、ライン33,35を介して第1凝縮器28内に導入される第1窒素ガス流体と、第1酸素富化液化流体の一部と、の間接熱交換が行われる。
これにより、第1窒素ガス流体は、液化して第1液化窒素流体となり、第1酸素富化液化流体は、ガス化して第1酸素富化ガス流体となる。
第1精留塔22の塔頂部から導出された第1窒素ガス流体の一部は、第1製品窒素回収ライン36に供給される。そして、第1窒素ガス流体の残部は、ライン35を介して、第1凝縮器28内に導入される。
ライン35は、その他端が第1凝縮器28と接続されている。
ライン38は、その一端が第1凝縮器28の上端と接続されており、他端が第2精留塔46の下部と接続されている。ライン38は、第1凝縮器28の上端から導出した第1酸素富化ガス流体を、第2精留塔46の下部に導入する。
減圧弁44は、ライン41に設けられている。減圧弁44は、第1酸素富化液化流体を減圧する。
第2製品窒素回収ライン48は、第2精留塔46の塔頂部から第2窒素ガス流体の一部を導出し、主熱交換器19において熱回収された第2窒素ガス流体の一部を第2製品窒素として導出する。
ライン51は、第2精留塔46内の塔底部に滞留する第2酸素富化液化流体を導出する。ライン51は、過冷器67及び減圧弁53を介して、導出させた第2酸素富化液化流体を第3精留塔55の上部に供給する。
このような不純物濃縮段は、例えば、精留段(棚)、規則充填材または不規則充填材等で構成することができる。
これにより、第3精留塔55の塔底部に位置する高純酸素液化流体に濃縮された状態で含まれ、酸素よりも沸点の高い不純物成分(例えば、メタン(CH4))を窒素及び酸素製造装置10の外へ抽出することが可能となる。これにより、第3精留塔55の塔底液中の不純物濃度を低い値に維持することができる。
また、昇圧された高純酸素液化流体は、主熱交換器19により昇温されて酸素ガスとなり、製品酸素回収ライン56の他端から製品酸素として回収される。
ライン58は、一端が第3精留塔55の塔頂部と接続されており、一部が過冷器67を通過している。また、過冷器67の後段に位置するライン58は、主熱交換器19を通過している。ライン58は、第3精留塔55の塔頂部から第2酸素富化ガス流体を導出する。
第2凝縮器61では、第2窒素ガス流体の一部と高純度酸素液化流体とを間接的に熱交換させる。これにより、第2窒素ガス流体は、液化して第2液化窒素流体となり、高純度酸素液化流体は、蒸発によりガス化して高純度酸素ガス流体になる。
ライン63は、第2製品窒素回収ライン48から分岐した分岐ラインであり、第2凝縮器61の上部と接続されている。ライン63は、第2製品窒素回収ライン48内を流れる第2窒素ガス流体の一部を第2凝縮器61内に導入する。
過冷器67は、第2製品窒素回収ライン48の一部、ライン51の一部、及びライン58の一部を収容している。過冷器67は、第2精留塔46から抜き出した第2窒素ガスと、第3精留塔55から抜出した第2酸素富化空気と、を用いて、第2精留塔46の下部より抜出した第2酸素富化液化流体を冷却し、減圧弁53での減圧時に蒸発する第2酸素富化液化流体の量を少なくして、精留効率の向上を図っている。
製品窒素回収ライン71は、第1製品窒素回収ライン36により導出された第1窒素ガス流体と、第2製品窒素回収ライン48により導出された第2窒素ガス流体と、を製品窒素ガスとして回収する。
ライン73は、主熱交換器19により昇温された第2酸素富化ガス流体及び高純酸素ガス流体の残部を精製器17に導入することで、精製器17の再生を行う。
膨張タービン77は、分岐ライン75と接続されている。膨張タービン77は、所定の温度まで昇温した第1窒素ガス流体の一部を膨張させる。
これにより、製品酸素回収ライン56を介して、第3精留塔55の塔底部からより多くの液状の高純度酸素を抜き出した場合でも、主熱交換器19を用いて、主熱交換器19の後段に位置する製品酸素回収ライン56の他端からより多くの気体の高純度酸素(高純度酸素ガス)を回収することができる。
この場合、分岐ライン75を用いた場合よりもやや効果が小さくなるが、従来よりも多くの気体の高純度酸素を回収することができる。
その後、冷却された原料空気は、原料空気供給用ライン12により、第1精留塔22の下部に導入される。
なお、第1精留塔22、第2精留塔46、及び第3精留塔55内には、例えば、図示していない精留段(棚)、規則充填材、または不規則充填材等を設けてもよい。
すなわち、第1精留塔22に導入された原料空気は、第1精留塔22内を上昇する際に、還流液である第1液化窒素流体と向流接触を行うことで、低沸点成分の組成が増加する。
また、還流液である第1液化窒素流体は、第1精留塔22内を下降する際に、上昇ガスである原料空気と向流接触を行うことで、高沸点成分の組成が増加する。
そして、主熱交換器19の後段に位置する第1製品窒素回収ライン36内において、昇温された第1窒素ガス流体の一部と、窒素ガス圧縮機69で昇圧された第2窒素ガス流体と、が合流し、製品窒素回収ライン71から第1窒素ガス流体の一部を製品窒素として回収される(第1製品回収工程)。
次いで、主熱交換器19の前段において、膨張タービン77から導出される第1窒素ガス流体の一部と第2窒素ガス流体とを合流させる(合流工程)。
また、第1精留塔22の塔底部に生成された第1酸素富化液化流体は、ライン24により導出され、一部がライン41に供給され、減圧弁26において所定の圧力に減圧され、その後、第1凝縮器28に導入される。
また、第1酸素富化液化流体の残部は、ライン41を経由して、減圧弁44において所定の圧力に減圧された後、寒冷として第2精留塔46に導入される。
そして、第1液化窒素流体は、ライン31を介して第1精留塔22内に導入されて還流液となる。
その後、第2窒素ガス流体の一部は、窒素ガス圧縮機69で昇圧された後、第1製品窒素回収ライン36を流れる第1窒素ガス流体の残部と合流され、製品窒素回収ライン71を介して、製品窒素として導出される(第2製品回収工程)。
そして、第2液化窒素流体は、ライン65から抜き出され、第2精留塔46の塔頂部に還流液として導入される。
第3精留塔55内では、減圧後の第2酸素富化液化流体が低温蒸留され、第3精留塔55の塔頂部の第2酸素富化ガス流体と、第3精留塔55の塔底部の高純酸素液化流体と、に分離される(第3分離工程)。
また、第2凝縮器61によってガス化した高純酸素ガス流体は、第3精留塔55内を上昇する際に、還流液である第2酸素富化液化流体と向流接触を行うことで、低沸点成分の組成が増加する。
その後、所定の圧力まで昇圧された高純酸素液化流体は、液化酸素ポンプ57の後段に位置する製品酸素回収ライン56を介して、主熱交換器19に供給され、主熱交換器19において常温まで昇温されることで製品酸素ガスとなり、製品酸素回収ライン56により回収される(第3製品回収工程)。
これにより、製品酸素回収ライン56を介して、第3精留塔55の塔底部からより多くの液状の高純度酸素を抜き出した場合でも、主熱交換器19を用いて、主熱交換器19の後段に位置する製品酸素回収ライン56の他端からより多くの気体の高純度酸素(高純度酸素ガス)を回収することができる。
実施例では、図1に示した窒素及び酸素製造装置10を用いて、製品窒素及び製品酸素を製造するシミュレーションを行った。
図1に示す窒素及び酸素製造装置10の各場所における流体の流量(具体的には、取得した製品窒素ガスの量を100としたときの各ライン内を流れる流体の流量)、各ライン内の圧力、及び流体に含まれる酸素組成の各値の結果を表1に示す。
また、表1に示す「酸素組成(体積比)」とは、原料空気を1とした際に、原料空気に含まれる酸素の割合を示している。例えば、表1に示す酸素組成が0.2096とは、原料空気を1とした際に0.2096の酸素を含む(言い換えれば、20.96体積%の酸素を含む)ことをいう。
表2に示す「合計動力」とは、図1に示す原料空気圧縮機14及び窒素ガス圧縮機69の合計の動力(言い換えれば、単位時間当たりの仕事量)を示している。表2に示す「合計動力」は、比較例において製品酸素を「3」採取するために必要な動力を100とした場合の相対動力値である。
図2に、取得された製品窒素の量を100とした場合の実施例の窒素及び酸素製造装置から得られた気体の製品酸素の量と、合計動力(原料空気圧縮機14及び窒素ガス圧縮機69の合計の動力)と、の関係を示すグラフを図示する。
なお、図2には、取得された製品窒素の量を100とした場合の比較例の窒素及び酸素製造装置から得られた気体の製品酸素の量と、合計動力(原料空気圧縮機14及び窒素ガス圧縮機69の合計の動力)と、の関係を示すグラフも図示する。
また、図2では、製品酸素の流量が「3」の場合の比較例の動力を100として、相対的な動力を示している。
図3は、比較例の窒素及び酸素製造装置の概略構成を示す系統図である。
ここで、図3を参照して、比較例の窒素及び酸素製造装置200の構成について、簡単に説明する。
窒素及び酸素製造装置200は、原料空気を深冷液化分離することで、窒素及び酸素を製造する装置である。窒素及び酸素製造装置200は、図1に示す窒素及び酸素製造装置10を構成する分岐ライン75及び合流用ライン79に替えて、分岐ライン201及びライン202を有すること以外は、窒素及び酸素製造装置10と同様な構成とされている。
分岐ライン201は、原料空気供給用ライン12から抜き出した原料空気の一部を、膨張タービン77に導入するためのラインである。
つまり、比較例の窒素及び酸素製造装置200は、主熱交換器19内の原料空気供給用ライン12から原料空気の一部を抜き出し、抜き出した原料空気を膨張タービン77に供給する点が、実施例の窒素及び酸素製造装置10とは異なる。
図3に示す窒素及び酸素製造装置200の各場所における流体の流量(具体的には、取得した製品窒素ガスの量を100としたときの各ライン内を流れる流体の流量)、各ライン内の圧力、及び流体に含まれる酸素組成の各値の結果を表3に示す。
また、表3に示す「酸素組成(体積比)」とは、原料空気を1とした際に、原料空気に含まれる酸素の割合を示している。
図1、図3、及び表2を参照するに、実施例及び比較例において、製品酸素回収ライン56から導出される製品酸素ガスの流量を6にする場合、実施例の方が比較例よりも約2.2%(={1−(101.5/103.8)}×100)程度合計動力が低くなることが確認できた。
図2を参照するに、気体の製品酸素の量が3よりも大きくなると、比較例の合計動力の大きさが実施例の合計動力の大きさよりも徐々に大きくなっていることが確認できた。
このことから、実施例では、合計動力の増加量を抑制した上で、気体の製品酸素の量を増加させることが可能であることが判った。
このように、主熱交換器19に供給する原料空気の量を減らすことなく、主熱交換器19における中圧窒素の量を減らすことで、上記のような良好な結果を得ることができたと推測できる。
Claims (6)
- 窒素及び酸素製造装置を用いて、原料空気を深冷液化分離することで、窒素及び酸素を製造する窒素及び酸素製造方法であって、
圧縮、精製、及び冷却した前記原料空気を、第1精留塔において低温蒸留することで、第1窒素ガス流体と第1酸素富化液化流体とに分離する第1分離工程と、
前記第1窒素ガス流体と減圧後の前記第1酸素富化液化流体とを、第1凝縮器において間接的に熱交換させ、前記第1窒素ガス流体を凝縮液化して第1液化窒素を得るとともに、前記第1酸素富化液化流体を蒸発させて第1酸素富化ガス流体を生成する第1間接熱交換工程と、
第2精留塔において前記第1酸素富化ガス流体の一部を低温蒸留することで、第2窒素ガス流体と第2酸素富化液化流体とに精留分離する第2分離工程と、
第3精留塔において減圧後の前記第2酸素富化液化流体を低温蒸留することで、第2酸素富化ガス流体と高純度酸素液化流体とに分離する第3分離工程と、
前記第3精留塔内の底部に設けられ、かつ液相部に浸漬された第2凝縮器を用いて、前記第2窒素ガス流体と前記高純度酸素液化流体とを間接的に熱交換させることで、前記第2窒素ガス流体を凝縮液化させて、第2液化窒素を得るとともに、前記高純度酸素液化流体を蒸発させて高純度酸素ガス流体を生成する第2間接熱交換工程と、
熱交換器において熱回収された前記第1窒素ガス流体の一部を、第1製品窒素として回収する第1製品回収工程と、
前記熱交換器において熱回収された前記第2窒素ガス流体の一部を、第2製品窒素として回収する第2製品回収工程と、
液化酸素ポンプにより、前記第3精留塔の底部から導出させた前記高純度酸素液化流体の一部を液状態で加圧する酸素流体圧縮工程と、
前記液化酸素ポンプにより加圧された前記高純度酸素液化流体の一部を、前記熱交換器を通過させた後、製品酸素として回収する第3製品回収工程と、
前記熱交換器により、前記第1窒素ガス流体の一部を所定の温度まで昇温させた後、昇温した該第1窒素ガス流体の一部を膨張タービンで膨張させて、前記窒素及び酸素製造装置を冷却するための寒冷を発生させる寒冷発生工程と、
前記熱交換器の前段において、前記膨張タービンから導出される前記第1窒素ガス流体の一部を前記第2窒素ガス流体と合流させる合流工程と、
を含むことを特徴とする窒素及び酸素製造方法。 - 窒素及び酸素製造装置を用いて、原料空気を深冷液化分離することで、窒素及び酸素を製造する窒素及び酸素製造方法であって、
圧縮、精製、及び冷却した前記原料空気を、第1精留塔において低温蒸留することで、第1窒素ガス流体と第1酸素富化液化流体とに分離する第1分離工程と、
前記第1窒素ガス流体と減圧後の前記第1酸素富化液化流体とを、第1凝縮器において間接的に熱交換させ、前記第1窒素ガス流体を凝縮液化して第1液化窒素を得るとともに、前記第1酸素富化液化流体を蒸発させて第1酸素富化ガス流体を生成する第1間接熱交換工程と、
第2精留塔において前記第1酸素富化ガス流体の一部を低温蒸留することで、第2窒素ガス流体と第2酸素富化液化流体とに精留分離する第2分離工程と、
第3精留塔において減圧後の前記第2酸素富化液化流体を低温蒸留することで、第2酸素富化ガス流体と高純度酸素液化流体とに分離する第3分離工程と、
前記第3精留塔内の底部に設けられ、かつ液相部に浸漬された第2凝縮器を用いて、前記第2窒素ガス流体と前記高純度酸素液化流体とを間接的に熱交換させることで、前記第2窒素ガス流体を凝縮液化させて、第2液化窒素を得るとともに、前記高純度酸素液化流体を蒸発させて高純度酸素ガス流体を生成する第2間接熱交換工程と、
熱交換器において熱回収された前記第1窒素ガス流体の一部を、第1製品窒素として回収する第1製品回収工程と、
前記熱交換器において熱回収された前記第2窒素ガス流体の一部を、第2製品窒素として回収する第2製品回収工程と、
液化酸素ポンプにより、前記第3精留塔の底部から導出させた前記高純度酸素液化流体の一部を液状態で加圧する酸素流体圧縮工程と、
前記液化酸素ポンプにより加圧された前記高純度酸素液化流体の一部を、前記熱交換器を通過させた後、製品酸素として回収する第3製品回収工程と、
前記熱交換器の前段において、前記第1窒素ガス流体の一部を抜き出し、膨張タービンで膨張させて、前記窒素及び酸素製造装置を冷却するための寒冷を発生させる寒冷発生工程と、
前記熱交換器の前段において、前記膨張タービンから導出される前記第1窒素ガス流体の一部を前記第2窒素ガス流体と合流させる合流工程と、
を含むことを特徴とする窒素及び酸素製造方法。 - 前記寒冷発生工程では、前記熱交換器内に導入させた前記第1窒素ガス流体の一部を、前記熱交換器の途中から抜き出すことを特徴とする請求項1記載の窒素及び酸素製造方法。
- 原料空気を深冷液化分離することで、窒素及び酸素を製造する窒素及び酸素製造装置であって、
前記原料空気が所定の温度となるように冷却する熱交換器と、
圧縮及び精製され、その後、前記熱交換器により冷却された前記原料空気を低温蒸留することで、第1窒素ガス流体と第1酸素富化液化流体とに分離する第1精留塔と、
前記第1窒素ガス流体の一部と前記第1酸素富化液化流体とを間接的に熱交換させることで、前記第1窒素ガス流体を液化させるとともに、前記第1酸素富化液化流体を蒸発させて第1酸素富化ガス流体を生成する第1凝縮器と、
前記第1酸素富化ガス流体の一部を低温蒸留することで、第2窒素ガス流体と第2酸素富化液化流体とに精留分離する第2精留塔と、
減圧後の前記第2酸素富化液化流体を低温蒸留することで、第2酸素富化ガス流体と高純度酸素液化流体とに分離する第3精留塔と、
前記第3精留塔内の底部に配置されるとともに、前記第3精留塔内に形成された液相部に浸漬され、前記第2窒素ガス流体と前記高純度酸素液化流体とを間接的に熱交換させることで、前記第2窒素ガス流体を凝縮液化させて第2液化窒素を得るとともに、前記高純度酸素液化流体を蒸発させて高純度酸素ガス流体を生成する第2凝縮器と、
前記第1精留塔の塔頂部と接続され、前記熱交換器を通過し、該熱交換器において熱回収された前記第1窒素ガス流体の一部を第1製品窒素として導出する第1製品窒素回収ラインと、
前記第2精留塔の塔頂部と接続され、前記熱交換器を通過し、該熱交換器において熱回収された前記第2窒素ガス流体の一部を第2製品窒素として導出する第2製品窒素回収ラインと、
前記第3精留塔の底部から前記高純度酸素液化流体を導出させ、前記熱交換器を通過する製品酸素回収ラインと、
前記熱交換器の前段に位置する前記製品酸素回収ラインに設けられ、前記製品酸素回収ライン内を流れる前記高純度酸素液化流体を所定の圧力まで昇圧させる液化酸素ポンプと、
前記熱交換器内に位置する前記第1製品窒素回収ラインから分岐され、所定の温度まで昇温した前記第1窒素ガス流体の一部を導出する分岐ラインと、
前記分岐ラインと接続され、前記所定の温度まで昇温した前記第1窒素ガス流体の一部を膨張させる膨張タービンと、
一端が前記膨張タービンの導出口と接続され、他端が前記熱交換器の前段に位置する前記第2製品窒素回収ラインと接続され、前記膨張タービンを経由した前記第1窒素ガス流体と前記第2窒素ガス流体の一部とを合流させる合流用ラインと、
を有することを特徴とする窒素及び酸素製造装置。 - 原料空気を深冷液化分離することで、窒素及び酸素を製造する窒素及び酸素製造装置であって、
前記原料空気が所定の温度となるように冷却する熱交換器と、
圧縮及び精製され、その後、前記熱交換器により冷却された前記原料空気を低温蒸留することで、第1窒素ガス流体と第1酸素富化液化流体とに分離する第1精留塔と、
前記第1窒素ガス流体の一部と前記第1酸素富化液化流体とを間接的に熱交換させることで、前記第1窒素ガス流体を液化させるとともに、前記第1酸素富化液化流体を蒸発させて第1酸素富化ガス流体を生成する第1凝縮器と、
前記第1酸素富化ガス流体の一部を低温蒸留することで、第2窒素ガス流体と第2酸素富化液化流体とに精留分離する第2精留塔と、
減圧後の前記第2酸素富化液化流体を低温蒸留することで、第2酸素富化ガス流体と高純度酸素液化流体とに分離する第3精留塔と、
前記第3精留塔内の底部に配置されるとともに、前記第3精留塔内に形成された前記高純度酸素液化流体よりなる液相部に浸漬され、前記第2窒素ガス流体と前記高純度酸素液化流体とを間接的に熱交換させることで、前記第2窒素ガス流体を凝縮液化させて第2液化窒素を得るとともに、前記高純度酸素液化流体を蒸発させて高純度酸素ガス流体を生成する第2凝縮器と、
前記第1精留塔の塔頂部と接続され、前記熱交換器を通過し、該熱交換器において熱回収された前記第1窒素ガス流体の一部を第1製品窒素として導出する第1製品窒素回収ラインと、
前記第2精留塔の塔頂部と接続され、前記熱交換器を通過し、該熱交換器において熱回収された前記第2窒素ガス流体の一部を第2製品窒素として導出する第2製品窒素回収ラインと、
前記第3精留塔の底部から前記高純度酸素液化流体を導出させ、前記熱交換器を通過する製品酸素回収ラインと、
前記熱交換器の前段に位置する前記製品酸素回収ラインに設けられ、前記製品酸素回収ライン内を流れる前記高純度酸素液化流体を所定の圧力まで昇圧させる液化酸素ポンプと、
前記熱交換器の前段に位置する前記第1製品窒素回収ラインから分岐され、前記第1窒素ガス流体の一部を導出する分岐ラインと、
前記分岐ラインと接続され、該分岐ラインを流れる前記第1窒素ガス流体の一部を膨張させる膨張タービンと、
一端が前記膨張タービンの導出口と接続され、他端が前記熱交換器の前段に位置する前記第2製品窒素回収ラインと接続され、前記膨張タービンを経由した前記第1窒素ガス流体と前記第2窒素ガス流体の一部とを合流させる合流用ラインと、
を有することを特徴とする窒素及び酸素製造装置。 - 前記熱交換器の後段に位置する前記第2製品窒素回収ラインに設けられた窒素圧縮機と、
一端が前記第1製品窒素回収ラインの他端、及び前記第2製品窒素回収ラインの他端と接続された製品窒素回収ラインと、
を有することを特徴とする請求項4または5記載の窒素及び酸素製造装置。
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