JP6842334B2 - 空気分離方法、及び空気分離装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気分離方法、及び空気分離装置に関する。

深冷分離法により、空気を窒素と、酸素と、アルゴンとに分離する空気分離方法及び空気分離装置が知られている。かかる空気分離装置は、一般的に大型であるため、設置面積等を削減する試みがなされてきた。

図６は、従来の空気分離装置６００の概略構成を示す系統図である。
特許文献１で開示されている空気分離装置６００は、内圧が約８６０ｋＰａＡである高圧塔４と、内圧が約１３０ｋＰａＡである低圧塔５と、内圧が約２３０ｋＰａＡであるアルゴン塔６と、高圧塔４内の高圧酸素富化液化酸素を間接熱交換器７に送液して導入する液ポンプ３４を有している。

図７ａは、従来の空気分離装置６００の構成、及びその配置を示す模式図である。図７ａに示すように、空気分離装置６００においては、設置面積の削減を図るために、高圧塔４の上方にアルゴン塔６が配置され、さらにその上方に第２間接熱交換器８を収納する第２間接熱交換器外筒１４が配置されており、低圧塔５の上方に第１間接熱交換器７を収納する第１間接熱交換器外筒１３が配置されている。さらに、高圧塔４の塔底部から高圧酸素富化液化酸素を第１間接熱交換器外筒１３に送液する液ポンプ３４が高圧塔４の下方に配置されている。

特許文献１には、かかる空気分離装置６００を用いた空気分離方法が開示されている。従来の空気分離方法においては、高圧塔４内の塔底部の高圧酸素富化液化酸素は、管路６１，６２を介して、液ポンプ３４によって送液され、第１間接熱交換器外筒１３に導入される。第１間接熱交換器外筒１３に導入された高圧酸素富化液化酸素は、間接熱交換器７によって蒸発気化されて中圧酸素富化空気となる。中圧酸素富化空気は管路６５１を介して、主熱交換器１１で昇温されたのち、膨張タービン１０で断熱膨張されている。断熱膨張された流体は、管路６５２を介して低圧塔５に導入されている（特許文献１）。

特開２０１６−００８７７８号公報

しかしながら、特許文献１で開示されている空気分離装置６００では、高圧塔４内の圧力が約８６０ｋＰａＡであり、第１間接熱交換器外筒１３内の圧力が約６００ｋＰａＡであり、高圧塔４内の圧力と第１間接熱交換器外筒１３内の圧力との圧力差が、約２６０ｋＰａと小さかった。よって、図７に示す空気分離装置６００のように低圧塔５の上方に第１間接熱交換器外筒１３を配置するには、高圧塔４の塔底部から高圧酸素富化液化酸素を第１間接熱交換器外筒１３に導入する液ポンプ３４を空気分離装置６００に設ける必要がある。
したがって、空気分離装置６００にあっては、液ポンプ３４を設置するための余計な設備コスト、スペース、及び動力などが生じていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高圧塔内の圧力と間接熱交換器外筒内の圧力との圧力差を従来より大きくすることができる空気分離方法、及び空気分離装置を提供することを課題とする。

本発明は、以下の構成を備える。
請求項１に係る発明は、深冷分離法により、原料空気を分離する空気分離方法であって、原料空気を圧縮、精製、冷却し高圧原料空気流体を得る原料空気圧縮工程と、前記高圧原料空気流体を低温蒸留により高圧窒素ガス流体と高圧窒素富化空気流体と高圧酸素富化液化空気流体とに分離する高圧分離工程と、前記高圧窒素ガス流体の一部を断熱膨張させて寒冷流体を発生させる断熱膨張工程と、前記寒冷流体と、前記高圧酸素富化液化空気流体を減圧して得られた低圧酸素富化液化空気流体と、を間接熱交換し、前記寒冷流体を凝縮液化して低圧液化ガス流体を得るとともに、前記低圧酸素富化液化空気流体を蒸発気化して低圧酸素富化空気流体を得る第１間接熱交換工程と、前記低圧酸素富化空気流体を膨張タービンを経由することなく低温蒸留により低圧窒素ガス流体と低圧液化酸素流体と低圧アルゴン富化液化酸素流体とに分離する低圧分離工程と、前記低圧アルゴン富化液化酸素流体を加圧した後、低温蒸留によりアルゴンガス流体と中圧液化酸素流体とに分離するアルゴン分離工程と、前記アルゴンガス流体と前記低圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記アルゴンガス流体を凝縮液化して液化アルゴン流体を得るとともに、前記低圧液化酸素流体を蒸発気化して低圧酸素ガス流体を得る第２間接熱交換工程と、前記高圧窒素ガス流体と前記中圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記高圧窒素ガス流体を凝縮液化して高圧液化窒素流体を得るとともに、前記中圧液化酸素流体を蒸発気化させて中圧酸素ガス流体を得る第３間接熱交換工程と、前記アルゴンガス流体の一部、前記液化アルゴン流体の一部または前記第２間接熱交換工程で液化しなかったアルゴンガス流体のうち、少なくとも１種のアルゴン流体を製品アルゴンガスとして導出する第１製品回収工程と、前記低圧液化酸素流体の一部、前記中圧液化酸素流体の一部、前記高圧窒素ガス流体の一部もしくは前記高圧液化窒素流体の一部のうち、少なくとも１種以上の流体を製品として導出する第２製品回収工程と、を含むことを特徴とする空気分離方法である。

請求項２に係る発明は、深冷分離法により、原料空気を分離する空気分離方法であって、原料空気を圧縮、精製、冷却し高圧原料空気流体を得る原料空気圧縮工程と、前記高圧原料空気流体を低温蒸留により高圧窒素ガス流体と高圧窒素富化空気流体と高圧酸素富化液化空気流体とに分離する高圧分離工程と、前記高圧原料空気流体の一部、または前記高圧窒素富化空気流体のいずれかを断熱膨張させて寒冷流体を発生させる断熱膨張工程と、前記寒冷流体と、前記高圧酸素富化液化空気流体を減圧して得られた低圧酸素富化液化空気流体と、を間接熱交換し、前記寒冷流体を凝縮液化して低圧液化ガス流体を得るとともに、前記低圧酸素富化液化空気流体を蒸発気化して低圧酸素富化空気流体を得る第１間接熱交換工程と、前記低圧酸素富化空気流体を膨張タービンを経由することなく低温蒸留により低圧窒素ガス流体と低圧液化酸素流体と低圧アルゴン富化液化酸素流体とに分離する低圧分離工程と、前記低圧アルゴン富化液化酸素流体を加圧した後、低温蒸留によりアルゴンガス流体と中圧液化酸素流体とに分離するアルゴン分離工程と、前記アルゴンガス流体と前記低圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記アルゴンガス流体を凝縮液化して液化アルゴン流体を得るとともに、前記低圧液化酸素流体を蒸発気化して低圧酸素ガス流体を得る第２間接熱交換工程と、前記高圧窒素ガス流体と前記中圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記高圧窒素ガス流体を凝縮液化して高圧液化窒素流体を得るとともに、前記中圧液化酸素流体を蒸発気化させて中圧酸素ガス流体を得る第３間接熱交換工程と、前記アルゴンガス流体の一部、前記液化アルゴン流体の一部または前記第２間接熱交換工程で液化しなかったアルゴンガス流体のうち、少なくとも１種のアルゴン流体を製品アルゴンガスとして導出する第１製品回収工程と、前記低圧液化酸素流体の一部、前記中圧液化酸素流体の一部、前記高圧窒素ガス流体の一部もしくは前記高圧液化窒素流体の一部のうち、少なくとも１種以上の流体を製品として導出する第２製品回収工程と、を含むことを特徴とする空気分離方法である。

請求項３に係る発明は、深冷分離法によって原料空気を分離する空気分離装置であって、原料空気を圧縮、精製、冷却し、高圧原料空気流体を得る原料空気前処理設備と、前記高圧原料空気流体を低温蒸留して塔頂部の高圧窒素ガス流体と中間部の高圧窒素富化空気流体と塔底部の高圧酸素富化液化空気流体とに精留分離する高圧塔と、前記高圧窒素ガス流体の一部を断熱膨張させて寒冷流体を発生させる膨張タービンと、前記寒冷流体と、前記高圧酸素富化液化空気流体を減圧して得られた低圧酸素富化液化空気流体と、を間接熱交換し、前記寒冷流体を凝縮液化して低圧液化ガス流体を生成するとともに、前記低圧酸素富化液化空気流体を蒸発気化して低圧酸素富化空気流体を生成する第１間接熱交換器と、前記低圧酸素富化空気流体を前記膨張タービンを経由することなく低温蒸留により低圧窒素ガス流体と低圧液化酸素流体と低圧アルゴン富化液化酸素流体とに分離する低圧塔と、前記低圧アルゴン富化液化酸素流体を加圧した後、低温蒸留によりアルゴンガス流体と中圧液化酸素流体とに分離するアルゴン塔と、前記アルゴンガス流体と前記低圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記アルゴンガス流体を凝縮液化して液化アルゴン流体を生成するとともに、前記低圧液化酸素流体を蒸発気化して低圧酸素ガス流体を生成する第２間接熱交換器と、前記高圧窒素ガス流体と前記中圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記高圧窒素ガス流体を凝縮液化して高圧液化窒素流体を生成するとともに、前記中圧液化酸素流体を蒸発気化させて中圧酸素ガス流体を生成する第３間接熱交換器と、前記アルゴンガス流体の一部、前記液化アルゴン流体の一部または前記第２間接熱交換器で液化しなかったアルゴンガス流体のうち、少なくとも１種のアルゴン流体を製品アルゴンガスとして導出する第１製品回収管路と、前記低圧液化酸素流体の一部、前記中圧液化酸素流体の一部、前記高圧窒素ガス流体の一部もしくは前記高圧液化窒素流体の一部のうち、少なくとも１種以上の流体を製品として導出する第２製品回収管路と、を有することを特徴とする空気分離装置である。

請求項４に係る発明は、深冷分離法によって原料空気を分離する空気分離装置であって、原料空気を圧縮、精製、冷却し、高圧原料空気流体を得る原料空気前処理設備と、前記高圧原料空気流体を低温蒸留して塔頂部の高圧窒素ガス流体と中間部の高圧窒素富化空気流体と塔底部の高圧酸素富化液化空気流体とに精留分離する高圧塔と、前記高圧原料空気流体の一部、または前記高圧窒素富化空気流体のいずれかを断熱膨張させて寒冷流体を発生させる膨張タービンと、前記寒冷流体と、前記高圧酸素富化液化空気流体を減圧して得られた低圧酸素富化液化空気流体と、を間接熱交換し、前記寒冷流体を凝縮液化して低圧液化ガス流体を生成するとともに、前記低圧酸素富化液化空気流体を蒸発気化して低圧酸素富化空気流体を生成する第１間接熱交換器と、前記低圧酸素富化空気流体を前記膨張タービンを経由することなく低温蒸留により低圧窒素ガス流体と低圧液化酸素流体と低圧アルゴン富化液化酸素流体とに分離する低圧塔と、前記低圧アルゴン富化液化酸素流体を加圧した後、低温蒸留によりアルゴンガス流体と中圧液化酸素流体とに分離するアルゴン塔と、前記アルゴンガス流体と前記低圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記アルゴンガス流体を凝縮液化して液化アルゴン流体を生成するとともに、前記低圧液化酸素流体を蒸発気化して低圧酸素ガス流体を生成する第２間接熱交換器と、前記高圧窒素ガス流体と前記中圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記高圧窒素ガス流体を凝縮液化して高圧液化窒素流体を生成するとともに、前記中圧液化酸素流体を蒸発気化させて中圧酸素ガス流体を生成する第３間接熱交換器と、前記アルゴンガス流体の一部、前記液化アルゴン流体の一部または前記第２間接熱交換器で液化しなかったアルゴンガス流体のうち、少なくとも１種のアルゴン流体を製品アルゴンガスとして導出する第１製品回収管路と、前記低圧液化酸素流体の一部、前記中圧液化酸素流体の一部、前記高圧窒素ガス流体の一部もしくは前記高圧液化窒素流体の一部のうち、少なくとも１種以上の流体を製品として導出する第２製品回収管路と、を有することを特徴とする空気分離装置である。

本発明の空気分離方法、及び空気分離装置によれば、間接熱交換器外筒内の圧力を約１３０ｋＰａＡとし、高圧塔内の圧力を約８６０ｋＰａＡとし、これらの圧力差を約７３０ｋＰａ、と従来より大きくすることができる。よって高圧塔の塔底部から高圧酸素富化液化酸素を間接熱交換器に導入する液ポンプを必要とせずに、低圧塔の上方に間接熱交換器を配置することができ、設備コスト、設置スペース及び動力を削減することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態の空気分離装置の概略構成を示す系統図である。 図２は、本発明の第２の実施形態の空気分離装置の概略構成を示す系統図である。 図３は、本発明の第３の実施形態の空気分離装置の概略構成を示す系統図である。 図４は、本発明の第４の実施形態の空気分離装置の概略構成を示す系統図である。 図５は、本発明の第５の実施形態の空気分離装置の概略構成を示す系統図である。 図６は、従来の空気分離装置の概略構成を示す系統図である。 図７ａは従来の空気分離装置の構成、及びその配置を示す模式図である。図７ｂは、本発明の空気分離装置の構成、及びその配置を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明を適用した実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の実施形態の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の空気分離装置の寸法関係とは異なる場合がある。

［第１の実施形態］
第１の実施形態の空気分離装置は、深冷分離法によって原料空気を分離する空気分離装置であって、原料空気を圧縮、精製、冷却し、高圧原料空気流体を得る原料空気前処理設備と、前記高圧原料空気流体を低温蒸留して塔頂部の高圧窒素ガス流体と中間部の高圧窒素富化空気流体と塔底部の高圧酸素富化液化空気流体とに精留分離する高圧塔と、前記高圧窒素富化空気流体を断熱膨張させて寒冷流体を発生させる膨張タービンと、前記寒冷流体と、前記高圧酸素富化液化空気流体を減圧して得られた低圧酸素富化液化空気流体と、を間接熱交換し、前記寒冷流体を凝縮液化して低圧液化ガス流体を生成するとともに、前記低圧酸素富化液化空気流体を蒸発気化して低圧酸素富化空気流体を生成する第１間接熱交換器と、前記低圧酸素富化空気流体を前記膨張タービンを経由することなく低温蒸留により低圧窒素ガス流体と低圧液化酸素流体と低圧アルゴン富化液化酸素流体とに分離する低圧塔と、前記低圧アルゴン富化液化酸素流体を加圧した後、低温蒸留によりアルゴンガス流体と中圧液化酸素流体とに分離するアルゴン塔と、前記アルゴンガス流体と前記低圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記アルゴンガス流体を凝縮液化して液化アルゴン流体を生成するとともに、前記低圧液化酸素流体を蒸発気化して低圧酸素ガス流体を生成する第２間接熱交換器と、前記高圧窒素ガス流体と前記中圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記高圧窒素ガス流体を凝縮液化して高圧液化窒素流体を生成するとともに、前記中圧液化酸素流体を蒸発気化させて中圧酸素ガス流体を生成する第３間接熱交換器と、前記アルゴンガス流体の一部、前記液化アルゴン流体の一部または前記第２間接熱交換器で液化しなかったアルゴンガス流体のうち、少なくとも１種のアルゴン流体を製品アルゴンガスとして導出する第１製品回収管路と、前記低圧液化酸素流体の一部、前記中圧液化酸素流体の一部、前記高圧窒素ガス流体の一部もしくは前記高圧液化窒素流体の一部のうち、少なくとも１種以上の流体を製品として導出する第２製品回収管路と、を有することを特徴とする。

図１は、本発明の第１の実施形態の空気分離装置の概略構成を示す系統図である。
なお、第１の実施形態の説明において、「低圧」とは、製品低圧窒素ガスの圧力以上で、かつ、アルゴン塔６の操作圧力よりも低い圧力のことをいう。「中圧」とは、アルゴン塔６の操作圧力以上で、かつ製品高圧窒素ガスの圧力よりも低い圧力のこという。「高圧」とは、製品高圧窒素ガスの圧力以上の圧力のことをいう。
図１に示すように、第１の実施形態の空気分離装置１００は、第１原料空気圧縮機１と、精製器２と、第２原料空気圧縮機３、高圧塔４と、低圧塔５と、アルゴン塔６と、第１間接熱交換器７と、第２間接熱交換器８と、第３間接熱交換器９と、膨張タービン１０と、主熱交換器１１と、過冷器１２と、第１間接熱交換器外筒１３と、第２間接熱交換器外筒１４と、減圧弁２１〜２７と、液ポンプ３１，３２，３３と、第１製品回収管路４６と、第２製品回収管路４１，４４，４５と、第３製品回収管路４２，４３と、管路５０〜６３，６５〜７９，６４１，６４２とを有する。

空気分離装置１００は、原料空気を圧縮、精製、冷却し、高圧原料空気流体を得る原料空気前処理設備を有する。原料空気前処理設備は、第１原料空気圧縮機１、精製器２、主熱交換器１１を通過する管路５１，５２、及び、第２原料空気圧縮機３から構成されている。

第１原料空気圧縮機１は、管路５０に設けられている。第１原料空気圧縮機１は、管路５０を介して、酸素、窒素、及びアルゴンを含む空気（以下「原料空気」とも記す。）の供給源（図示略）と接続されている。第１原料空気圧縮機１は、原料空気の供給源（図示略）から供給された原料空気を圧縮する。

管路５０は、一端が原料空気供給源（図示略）と接続され、他端が管路５１と、管路５２とに分岐されている。管路５０は、第１原料空気圧縮機１により圧縮された原料空気を、後述する精製器２に導入する。

精製器２は、管路５０のうち、管路５１と管路５２との分岐位置と、第１原料空気圧縮機１との間に設けられている。精製器２は、第１原料空気圧縮機１により圧縮された原料空気中に含まれる水、及び二酸化炭素等の不純物を除去する。

第２原料空気圧縮機３は、管路５２のうち、管路５０から分岐する位置と、主熱交換器１１との間に設けられている。第２原料空気圧縮機３は、精製器２により不純物が除去された原料空気の残部を圧縮する。
減圧弁２１は、管路５２のうち、第１原料空気圧縮機１と、高圧塔４との間に設けられている。減圧弁２１は、主熱交換器１１で冷却された当該原料空気を減圧する。

主熱交換器１１は、管路５１，５２の一部、及び後述する管路６４１，６４２の一部、第２製品回収管路４１の一部、及び第３製品回収管路４２，４３の一部が通過するように配置されている。主熱交換器１１は、管路５１，５２，６４１，６４２、第２製品回収管路４１、及び第３製品回収管路４２，４３の各管路を流れる流体間で間接熱交換させ、各流体を冷却、または昇温する。

管路５１は、高圧塔４の下部と接続されている。管路５１の一部は、主熱交換器１１を通過している。管路５１は、精製器２により不純物が除去された原料空気の一部を、主熱交換器１１で冷却し、高圧塔４に第１の高圧原料空気流体として導入する。
管路５２は、高圧塔４の中部と接続されている。管路５２の一部は、主熱交換器１１を通過している。管路５２は、第２原料空気圧縮機３により圧縮された当該原料空気を主熱交換器１１で冷却し、冷却された当該原料空気を減圧弁２１で減圧し、高圧塔４の中部に第２の高圧原料空気流体として導入する。

高圧塔４は、管路５１，５２，５３，５７，６１，６４１の一端とそれぞれ接続されている。
高圧塔４は、第１及び第２の高圧原料空気流体を低温蒸留して塔頂部の高圧窒素ガス流体と中間部の高圧窒素富化空気流体と塔底部の高圧酸素富化液化空気流体とに精留分離する。具体的には、高圧塔４は管路５１，５２から導入される第１及び第２の高圧原料空気流体と、管路５７から導入される流体と、を低温蒸留して、高圧窒素ガス流体と、高圧窒素富化空気流体と、高圧酸素富化液化空気流体とに分離する。なお、高圧塔４には、精留段（棚）、規則充填材、または不規則充填材等が設けられている。

具体的には、高圧塔４に導入された第１の高圧原料空気流体は、高圧塔４内で上昇する際に、高圧塔４の還流液（すなわち、後述する高圧液化窒素流体の一部、及び第２の高圧原料空気流体である。）と向流接触され、低沸点成分の組成が増加する。一方、高圧塔４の還流液である高圧液化窒素流体、及び第２の高圧原料空気流体は、高圧塔４内で下降する際に、高圧塔４の上昇ガスである第１の高圧原料空気流体と向流接触され、高沸点成分の組成が増加する。

高圧窒素ガス流体は、高圧塔４の塔頂部で生成される。高圧窒素ガス流体の窒素濃度は、原料空気の窒素濃度より高く、高圧窒素ガス流体の酸素濃度は、原料空気の酸素濃度より低い。高圧窒素ガス流体は、管路５３に導出される。
高圧窒素富化空気流体は、高圧塔４の中間部で生成される。高圧窒素富化空気流体の窒素濃度は、高圧酸素富化液化空気流体の窒素濃度より高い。高圧窒素富化空気流体は、管路６４１に導出される。
高圧酸素富化液化空気流体は、高圧塔４の塔底部で生成される。高圧酸素富化液化空気流体は、管路６１に導出される。

管路５３は、一端が高圧塔４の上部と接続され、他端が管路５４と、管路５５とに分岐されている。
管路５４は、第２製品回収管路４１と接続されている。管路５４は、管路５３に導出された高圧窒素ガス流体の一部を、第２製品回収管路４１に導出する。
管路５５は、第３間接熱交換器９の流体通路入口と接続されている。管路５５は、管路５３に導出された高圧窒素ガス流体の残部を、第３間接熱交換器９に導入する。
第２製品回収管路４１は、管路５３から分岐された管路５４と接続されている。第２製品回収管路４１の一部は、主熱交換器１１を通過している。第２製品回収管路４１は、高圧窒素ガス流体を主熱交換器１１で間接熱交換させて昇温する。第２製品回収管路４１は、管路５４に導出された高圧窒素ガス流体を、製品高圧窒素ガスとして回収するための管路である。

管路５７は、一端が高圧塔４の上部と接続され、他端が管路５６と、管路５８とに分岐されている。管路５６は、第３間接熱交換器９の流体通路出口と接続されている。管路５７は、第３間接熱交換器９で生成される高圧液化窒素流体の一部を高圧塔４の上部に導入する。
管路５８は、管路５９と、管路６０とにさらに分岐している。管路５８の一部は、過冷器１２を通過している。管路５８は、第３間接熱交換器９で生成された高圧液化窒素流体の残部を、過冷器１２で冷却する。
管路５９は、低圧塔５の上部と接続されている。減圧弁２６は、管路５９に設けられている。減圧弁２６は、過冷器１２で冷却された高圧液化窒素流体を減圧する。管路５９は、管路５８に導出された高圧液化窒素流体の一部を、減圧弁２６で減圧し、低圧液化窒素流体として低圧塔５の塔頂部に導入する。なお、低圧塔５に導入された低圧液化窒素流体は、低圧塔５の還流液となる。
管路６０は、第２製品回収管路４４と接続されている。管路６０は、管路５８から分岐された管路である。第２製品回収管路４４は、管路５８に導出された高圧液化窒素流体の残部を製品液化窒素として回収するための管路である。

管路６１は、一端が高圧塔４の底部と接続され、他端が管路６２と、管路６３とに分岐されている。管路６２は、第１間接熱交換器外筒１３の上部と接続されている。減圧弁２２は、管路６２に設けられている。すなわち、減圧弁２２は、高圧塔４と、第１間接熱交換器外筒１３との間に設けられている。
減圧弁２２は、管路６２に導出される高圧酸素富化液化空気流体を減圧する。すなわち、減圧弁２２は、高圧塔４で分離された高圧酸素富化液化空気流体の一部を減圧する。管路６２は、高圧酸素富化液化空気流体の一部を減圧弁２２で減圧し、第２の低圧酸素富化液化空気流体としたのち、第１間接熱交換器外筒１３に導入する。
管路６３は、低圧塔５の中部と接続されている。管路６３の一部は、過冷器１２を通過している。減圧弁２３は、管路６３のうち、過冷器１２と、低圧塔５との間に設けられている。減圧弁２３は、管路６３に導出される高圧酸素富化液化空気流体を減圧する。管路６３は、前記高圧酸素富化液化空気流体を、過冷器１２で冷却し、減圧弁２３で減圧したのち、第１の低圧酸素富化液化空気流体として低圧塔５の中間部に導入する。なお、低圧塔５の中間部に導入された第１の低圧酸素富化液化空気流体は、低圧塔５の還流液となる。

管路６４１は、一端が高圧塔４の中部と接続され、他端が膨張タービン１０の流体通路入口と接続されている。管路６４１の一部は、主熱交換器１１を通過している。管路６４１は、主熱交換器１１で高圧窒素富化空気流体を、間接熱交換させて昇温し、膨張タービン１０に導入する。
膨張タービン１０は、管路６４１に導出された高圧窒素富化空気流体を断熱膨張して寒冷流体である低圧窒素富化空気流体を生成する。膨張タービン１０は、当該断熱膨張によって、空気分離装置１００に必要な寒冷を発生させる。
管路６４２は、一端が膨張タービン１０の流体通路出口と接続され、他端が第１間接熱交換器７の流体通路入口と接続されている。管路６４２の一部は、主熱交換器１１を通過している。管路６４２は、低圧窒素富化空気流体を、主熱交換器１１で間接熱交換させて冷却したのち、第１間接熱交換器７に導入する。

第１間接熱交換器外筒１３は、管路６２の一端と接続されている。第１間接熱交換器外筒１３は、内部に第１間接熱交換器７を収納している。第１間接熱交換器外筒１３は、管路６２から導入された第２の低圧酸素富化液化空気流体を貯留する。
第１間接熱交換器７は、第１間接熱交換器外筒１３に収容されている。第１間接熱交換器７の流体通路入口は、管路６４２の一端と接続されている。第１間接熱交換器７は、寒冷流体である低圧窒素富化空気流体と、第２の低圧酸素富化液化空気流体（第１間接熱交換器外筒１３の内部に貯留される流体）とを間接熱交換する。
より具体的には、第１間接熱交換器７は、管路６４２から導入される低圧窒素富化空気流体と、管路６２から導入される第２の低圧酸素富化液化空気流体と、を間接熱交換させる。第１間接熱交換器７は、当該間接熱交換によって、管路６４２から導入される低圧窒素富化空気流体を凝縮液化して低圧窒素富化液化空気流体（「低圧液化ガス流体」とも記す。）を生成するとともに、管路６２から導入される第２の低圧酸素富化液化空気流体を蒸発気化して低圧酸素富化空気流体を生成する。

管路６５は、一端が第１間接熱交換器外筒１３の頂部と接続され、他端が低圧塔５の中部と接続されている。管路６５は、低圧酸素富化空気流体を、低圧塔５の中間部に導入する。なお、低圧塔５の中間部に導入された低圧酸素富化空気流体は、低圧塔５の上昇ガスとなる。

管路６６は、一端が第１間接熱交換器外筒１３の底部と接続され、他端が低圧塔５の中部と接続されている。減圧弁２５は、管路６６に設けられている。減圧弁２５は、管路６６に導出される第２の低圧酸素富化液化空気流体を減圧する。管路６６は、液ヘッド差で加圧された第２の低圧酸素富化液化空気流体を減圧弁２５で減圧し、第２の低圧酸素富化液化空気流体として、低圧塔５の中間部に導入する。なお、低圧塔５に導入された第２の低圧酸素富化液化空気流体は、低圧塔５の還流液となる。

管路６７は、一端が第１間接熱交換器７の流体通路出口と接続され、他端が低圧塔５の上部と接続されている。管路６７の一部は、過冷器１２を通過している。減圧弁２４は、管路６７のうち、過冷器１２と、低圧塔５との間に設けられている。減圧弁２４は、管路６７に導出される低圧窒素富化液化空気流体を減圧する。管路６７は、前記低圧窒素富化液化空気流体を、過冷器１２で冷却し、減圧弁２４で減圧したのち、低圧塔５の上部に導入する。なお、低圧塔５に導入された低圧窒素富化液化空気流体は、低圧塔５の還流液となる。

低圧塔５は、管路５９，６３，６５，６６，６７，６８，６９，７０，７４の一端とそれぞれ接続されている。
管路７４は、一端が第２間接熱交換器外筒１４の頂部と接続され、他端が低圧塔５の下部と接続されている。管路７４は、後述する第２間接熱交換器８で生成される低圧酸素ガス流体を、低圧塔５に導入する。なお、低圧塔５に導入された低圧酸素ガス流体は、低圧塔５の上昇ガスとなる。

低圧塔５は管路５９から導入される低圧液化窒素流体と、管路６３から導入される第１の低圧酸素富化液化空気流体と、管路６５から導入される低圧酸素富化空気流体と、管路６６から導入される第２の低圧酸素富化液化空気流体と、管路６７から導入される低圧窒素富化液化空気流体と、管路７４から導入される低圧酸素ガス流体と、を低温蒸留して、塔頂部の低圧窒素ガス流体と、塔底部の低圧液化酸素流体と、中間部の低圧アルゴン富化液化酸素流体と、に分離する。なお、低圧塔５内には、精留段（棚）、規則充填材、または不規則充填材等が設けられている。

具体的には、低圧塔５に導入された低圧塔５の上昇ガス（すなわち、低圧酸素富化空気流体、及び低圧酸素ガス流体である。）は、低圧塔５内で上昇する際に、低圧塔５の還流液（すなわち、低圧液化窒素流体、第１の低圧酸素富化液化空気流体、第２の低圧酸素富化液化空気流体、及び低圧窒素富化液化空気流体である）と向流接触され、低沸点成分の組成が増加する。一方、低圧塔５に導入された低圧塔５の還流液（すなわち、低圧液化窒素流体、第１の低圧酸素富化液化空気流体、第２の低圧酸素富化液化空気流体、及び低圧窒素富化液化空気流体である。）は、低圧塔５内で下降する際に、低圧塔５の上昇ガス（すなわち、低圧酸素富化空気流体、及び低圧酸素ガス流体である。）と向流接触され、高沸点成分の組成が増加する。

低圧窒素ガス流体は、低圧塔５の塔頂部で生成される。低圧窒素ガス流体の窒素濃度は、低圧液化窒素流体、第１の低圧酸素富化液化空気流体、第２の低圧酸素富化液化空気流体、及び低圧窒素富化液化空気流体から構成される低圧塔５の還流液の各流体の窒素濃度より高く、低圧窒素ガス流体の酸素濃度は、低圧塔５の還流液の各流体の酸素濃度より低い。低圧窒素ガス流体は、管路６８に導出される。
低圧液化酸素流体は、低圧塔５の塔底部で生成される。低圧液化酸素流体の窒素濃度は、低圧窒素富化空気流体及び低圧酸素ガス流体から構成される低圧塔５の上昇ガスの各流体の窒素濃度より低く、低圧液化酸素流体の酸素濃度は、低圧塔５の上昇ガスの各流体の酸素濃度より高い。低圧液化酸素流体は、管路６９に導出される。
低圧アルゴン富化液化酸素流体は、低圧塔５の中間部で生成される。低圧アルゴン富化液化酸素流体のアルゴン濃度は、低圧液化酸素流体のアルゴン濃度より高い。低圧アルゴン富化液化酸素流体は、管路７０に導出される。

管路６８は、一端が低圧塔５の頂部と接続され、他端が第３製品回収管路４３と接続されている。管路６８の一部は、過冷器１２を通過している。管路６８に導出された低圧窒素ガス流体は過冷器１２で昇温される。
第３製品回収管路４３は、管路６８と接続されている。第３製品回収管路４３の一部は、主熱交換器１１を通過している。第３製品回収管路４３は、主熱交換器１１で低圧窒素ガス流体を、間接熱交換させて昇温する。第３製品回収管路４３は、管路６８に導出された低圧窒素ガス流体を、製品低圧窒素ガスとして回収するための管路である。

管路６９は、一端が低圧塔５の底部と接続され、他端が第２間接熱交換器外筒１４の上部と接続されている。液ポンプ３１は、管路６９に設けられている。液ポンプ３１は、管路６９に導出される低圧液化酸素流体を加圧する。管路６９は、低圧液化酸素流体を液ポンプ３１で加圧したのち、第２間接熱交換器外筒１４に導入する。
管路７０は、一端が低圧塔５の中部と接続され、他端がアルゴン塔６の中部と接続されている。液ポンプ３２は、管路７０に設けられている。液ポンプ３２は、管路７０に導出される低圧アルゴン富化液化酸素流体を加圧する。管路７０は、低圧アルゴン富化液化酸素流体を液ポンプ３２で加圧したのち、アルゴン塔６の中間部に導入する。アルゴン塔６の中間部に導入された当該流体は、アルゴン塔６の還流液となる。

第２間接熱交換器外筒１４は、管路６９の一端と接続されている。第２間接熱交換器外筒１４は、内部に第２間接熱交換器８を収納している。第２間接熱交換器外筒１４は、管路６９から導入された低圧液化酸素流体を貯留する。
第２間接熱交換器８は、第２間接熱交換器外筒１４に収容されている。第２間接熱交換器８の流体通路入口は、管路７９の一端と接続されている。第２間接熱交換器８は、管路６９から導入される低圧液化酸素流体（すなわち、第２間接熱交換器外筒１４の内部に貯留される流体である。）と、管路７９から導入されるアルゴンガス流体と、を間接熱交換させる。第２間接熱交換器８は、当該間接熱交換によって、管路７９から導入されるアルゴンガス流体を凝縮液化して液化アルゴン流体を生成するとともに、管路６９から導入される低圧液化酸素流体を蒸発気化して低圧酸素ガス流体を生成する。

管路７１は、一端が第２間接熱交換器８の流体通路出口と接続され、他端が管路７２と、管路７３とに分岐されている。管路７１は、第２間接熱交換器８で生成される液化アルゴン流体の一部を管路７２に導出し、その残部を管路７３に導出する。
管路７２は、アルゴン塔６の上部と接続されている。管路７２は、管路７１に導出された液化アルゴン流体の一部をアルゴン塔６の塔頂部に導入する。なお、アルゴン塔６の塔頂部に導入された液化アルゴン流体は、アルゴン塔６の還流液となる。
管路７３は、第１製品回収管路４６と接続されている。第１製品回収管路４６は、管路７１に導出された液化アルゴン流体の残部を、製品液化アルゴンとして回収するための管路である。なお、第１の実施形態では液化アルゴン流体を製品として回収しているが、アルゴンガス流体を製品として回収してもよい。
管路７４は、第２間接熱交換器８で生成される低圧酸素ガス流体を、低圧塔５に導出する。なお、低圧塔５に導入された低圧酸素ガス流体は、低圧塔５の上昇ガスとなる。
管路７５は、一端が第２間接熱交換器外筒１４の下部と接続され、他端がアルゴン塔６の下部と接続されている。減圧弁２７は、管路７５に設けられている。減圧弁２７は、管路７５に導出される低圧液化酸素流体を減圧する。管路７５は、液ヘッド差で加圧された低圧液化酸素流体を減圧弁２７で減圧し、アルゴン塔６の塔底部に導入する。

アルゴン塔６は、管路７０，７２，７５，７６，７９の一端とそれぞれ接続されている。
アルゴン塔６は管路７０から導入される低圧アルゴン富化液化酸素流体と、管路７２から導入される液化アルゴン流体と、後述する中圧酸素ガス流体と、を低温蒸留して、塔頂部のアルゴンガス流体と、塔底部の中圧液化酸素流体とに分離する。なお、アルゴン塔６内には、精留段（棚）、規則充填材、または不規則充填材等が設けられている。

具体的には、アルゴン塔６に導入された低圧アルゴン富化液化酸素流体、及び液化アルゴン流体は、アルゴン塔６の還流液として、アルゴン塔６内で下降する。アルゴン塔６の還流液が下降する際に、アルゴン塔６の上昇ガス（すなわち、中圧酸素ガス流体である。）と向流接触され、低圧アルゴン富化液化酸素流体、及び液化アルゴン流体の高沸点成分の組成が増加する。一方、アルゴン塔６の上昇ガスである中圧酸素ガス流体は、アルゴン塔６内で上昇する際に、アルゴン塔６の還流液（すなわち、低圧アルゴン富化液化酸素流体、及び液化アルゴン流体である。）と向流接触され、低沸点成分の組成が増加する。
アルゴンガス流体は、アルゴン塔６の塔頂部で生成される。前記アルゴンガス流体は管路７９に導出される。中圧液化酸素流体は、アルゴン塔６の塔底部で生成される。前記中圧液化酸素流体は管路７６に導出される。

第３間接熱交換器９は、アルゴン塔６の塔底部に収容されている。第３間接熱交換器９の流体通路入口は管路５５と接続されている。第３間接熱交換器９は、管路５５から導入される高圧窒素ガス流体と、アルゴン塔６の塔底部に貯留された中圧液化酸素流体と、を間接熱交換させる。第３間接熱交換器９は、当該間接熱交換によって、管路５５から導入される高圧窒素ガス流体を凝縮液化して高圧液化窒素流体を生成するとともに、アルゴン塔６の塔底部で生成される中圧液化酸素流体を蒸発気化して前述した中圧酸素ガス流体を生成する。
管路５６の一端は、第３間接熱交換器９の流体通路出口と接続されている。管路５６は、第３間接熱交換器９で生成される高圧液化窒素流体を導出する。

管路７６は、一端がアルゴン塔６の底部と接続され、他端が管路７７と、管路７８とに分岐されている。
管路７７は、第３製品回収管路４２と接続されている。液ポンプ３３は、管路７７に設けられている。液ポンプ３３は、管路７６に導出される中圧液化酸素流体の一部を加圧する。管路７７は、管路７６に導出される中圧液化酸素流体の一部を液ポンプ３３で加圧し、液ポンプ３３で加圧された当該流体を第３製品回収管路４２に導入する。
第３製品回収管路４２は、管路７７と接続されている。第３製品回収管路４２の一部は、主熱交換器１１を通過している。第３製品回収管路４２は、管路７６に導出される中圧液化酸素流体の残部を主熱交換器１１で間接熱交換し、昇温する。
第３製品回収管路４２は、管路７７に導出され、液ポンプ３３で加圧された流体を主熱交換器１１で昇温し、製品高圧酸素ガスとして回収するための管路である。なお、液ポンプ３３で加圧される流体は、第２間接熱交換器外筒１４から、第２間接熱交換器外筒１４に接続される図示せぬ管路を介して管路７７に直接導出される低圧液化酸素流体であってもよい。

管路７８は、第２製品回収管路４５と接続されている。管路７８は、管路７６に導出される中圧液化酸素流体の残部を第２製品回収管路４５に導入する。
第２製品回収管路４５は、管路７８と接続されている。第２製品回収管路４５は、管路７６に導出される中圧液化酸素流体の残部を、製品液化酸素ガスとして回収するための管路である。
管路７９は、一端がアルゴン塔６の上部と接続され、他端が第２間接熱交換器８の流体通路入口と接続されている。管路７９は、アルゴン塔６の塔頂部で生成されるアルゴンガス流体を、第２間接熱交換器８に導入する。

以上説明した第１の実施形態の空気分離装置１００は、上記の構成を有する。かかる構成を有する第１の実施形態の空気分離装置１００によれば、第１間接熱交換器外筒１３内の圧力を、１３０ｋＰａＡとすることができる。これにより、管路６１に導出される高圧酸素富化液化空気流体の一部を送液する管路６２に液ポンプを設けなくとも、低圧塔５の上方に設けられた第１間接熱交換器外筒１３に当該高圧酸素富化液化空気流体を送液することができる。したがって、かかる液ポンプを設置するための設備コスト、設置スペース及び動力を削減することができる。

以下、図１を参照して、第１の実施形態の空気分離方法について説明する。
第１の実施形態の空気分離方法は、深冷分離法により、原料空気を分離する空気分離方法であって、原料空気を圧縮、精製、冷却し高圧原料空気流体を得る原料空気圧縮工程と、前記高圧原料空気流体を低温蒸留により高圧窒素ガス流体と高圧窒素富化空気流体と高圧酸素富化液化空気流体とに分離する高圧分離工程と、前記高圧原料空気流体の一部、または前記高圧窒素富化空気流体のいずれかを断熱膨張させて寒冷流体を発生させる断熱膨張工程と、前記寒冷流体と、前記高圧酸素富化液化空気流体を減圧して得られた低圧酸素富化液化空気流体と、を間接熱交換し、前記寒冷流体を凝縮液化して低圧液化ガス流体を得るとともに、前記低圧酸素富化液化空気流体を蒸発気化して低圧酸素富化空気流体を得る第１間接熱交換工程と、前記低圧酸素富化空気流体を膨張タービンを経由することなく低温蒸留により低圧窒素ガス流体と低圧液化酸素流体と低圧アルゴン富化液化酸素流体とに分離する低圧分離工程と、前記低圧アルゴン富化液化酸素流体を加圧した後、低温蒸留によりアルゴンガス流体と中圧液化酸素流体とに分離するアルゴン分離工程と、前記アルゴンガス流体と前記低圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記アルゴンガス流体を凝縮液化して液化アルゴン流体を得るとともに、前記低圧液化酸素流体を蒸発気化して低圧酸素ガス流体を得る第２間接熱交換工程と、前記高圧窒素ガス流体と前記中圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記高圧窒素ガス流体を凝縮液化して高圧液化窒素流体を得るとともに、前記中圧液化酸素流体を蒸発気化させて中圧酸素ガス流体を得る第３間接熱交換工程と、前記アルゴンガス流体の一部、前記液化アルゴン流体の一部または前記第２間接熱交換工程で液化しなかったアルゴンガス流体のうち、少なくとも１種のアルゴン流体を製品アルゴンガスとして導出する第１製品回収工程と、前記低圧液化酸素流体の一部、前記中圧液化酸素流体の一部、前記高圧窒素ガス流体の一部もしくは前記高圧液化窒素流体の一部のうち、少なくとも１種以上の流体を製品として導出する第２製品回収工程と、を含むことを特徴とする。

原料空気は管路５０に導入される。管路５０に導入された原料空気は、第１原料空気圧縮機１により圧縮され、精製器２で当該原料空気中に含まれる水、及び二酸化炭素等の不純物が除去される。
精製器２で不純物が除去された原料空気の一部は、管路５１を経て主熱交換器１１で冷却され第１の高圧原料空気流体となる（原料空気圧縮工程）。

精製器２で不純物が除去された原料空気の残部は、管路５１から分岐された管路５２に設けられた第２原料空気圧縮機３によりさらに圧縮されて昇圧された後に、主熱交換器１１で冷却される。主熱交換器１１で冷却された当該原料空気は、減圧弁２１で減圧され、第２の高圧原料空気流体となる（原料空気圧縮工程）。このように、原料空気圧縮工程では、原料空気を圧縮、精製、冷却し、第１、及び第２の高圧原料空気流体を得る。

主熱交換器１１では、管路５１，５２，６４２を流れる高温流体と、管路６４１、第２製品回収管路４１、及び第３製品回収管路４２，４３を流れる低温流体と、の間接熱交換により、高温流体が冷却され、低温流体が昇温される。

高圧分離工程では、第１、及び第２の高圧原料空気流体を、低温蒸留により高圧窒素ガス流体と高圧窒素富化空気流体と高圧酸素富化液化空気流体とに分離する。具体的に高圧塔４では、管路５１，５２を介して導入される第１、及び第２の高圧原料空気流体と、管路５７を介して導入される高圧液化窒素流体と、が低温蒸留により、高圧窒素ガス流体と高圧窒素富化空気流体と高圧酸素富化液化空気流体とに分離される（高圧分離工程）。高圧窒素ガス流体は、高圧塔４の塔頂部に生成され、高圧窒素富化空気流体は、高圧塔４の中間部に生成され、高圧酸素富化液化空気流体は、高圧塔４の塔底部に生成される。

高圧塔４の塔底部の高圧酸素富化液化空気流体は、管路６１に導出される。管路６１に導出された高圧酸素富化液化空気流体の一部は、管路６２を介して、減圧弁２２で所定の圧力に減圧された後、第２の低圧酸素富化液化空気流体として第１間接熱交換器外筒１３に導入される。
管路６１に導出された高圧酸素富化液化空気流体の残部は、管路６３を介して、過冷器１２で冷却され、減圧弁２３で所定の圧力に減圧された後、第１の低圧酸素富化液化空気流体として低圧塔５に導入され、低圧塔５の還流液となる。

高圧塔４の中間部の高圧窒素富化空気流体は、管路６４１を介して、主熱交換器１１で間接熱交換によって昇温された後、膨張タービン１０に導入される。膨張タービン１０によって高圧窒素富化空気流体の一部は、断熱膨張させられ、寒冷流体である低圧窒素富化空気流体が発生する（断熱膨張工程）。すなわち、断熱膨張工程は、高圧窒素富化空気流体を断熱膨張させて寒冷流体を発生させる。当該断熱膨張によって、空気分離装置１００に必要な寒冷が発生する。空気分離装置１００に必要な寒冷が発生したのち、低圧窒素富化空気流体は、管路６４２を介して、主熱交換器１１で間接熱交換によって冷却され、第１間接熱交換器７に導入される。

高圧塔４の塔頂部の高圧窒素ガス流体は管路５３に導出される。管路５３に導出された高圧窒素ガス流体の一部は、管路５４を介して、第２製品回収管路４１に導出され、主熱交換器１１で間接熱交換によって昇温され、第２製品回収管路４１から製品高圧窒素ガスとして導出される（第２製品回収工程）。

管路５３に導出された高圧窒素ガス流体の残部は、管路５５を介して、第３間接熱交換器９に導入される。管路５５を介して第３間接熱交換器９に導入された高圧窒素ガス流体は、アルゴン塔６の塔底部の中圧液化酸素流体との間接熱交換により、自らは凝縮液化して高圧液化窒素流体になると共に、アルゴン塔６の塔底部の中圧液化酸素流体を蒸発気化させて中圧酸素ガス流体を生成する（第３間接熱交換工程）。

第３間接熱交換器９から管路５６に導出される高圧液化窒素流体の一部は、管路５７を介して、高圧塔４に導入され、高圧塔４の還流液となる。
第３間接熱交換器９から管路５６に導出される高圧液化窒素流体の残部は、管路５８を介して、過冷器１２で冷却される。
過冷器１２で冷却された当該高圧液化窒素流体の一部は、管路５９を介して、減圧弁２６で所定の圧力に減圧された後、低圧液化窒素流体として低圧塔５に導入され、低圧塔５の還流液となる。
過冷器１２で冷却された当該高圧液化窒素流体の残部は、管路６０を介して、第２製品回収管路４４から製品液化窒素として導出される（第２製品回収工程）。

管路６４２を介して第１間接熱交換器７に導入される低圧窒素富化空気流体は、高圧窒素富化空気流体の一部を断熱膨張させて発生する寒冷流体である。第１間接熱交換器外筒１３の内部の第２の低圧酸素富化液化空気流体は、高圧酸素富化液化空気流体を減圧して得られた流体である。
寒冷流体である低圧窒素富化空気流体と、第２の低圧酸素富化液化空気流体とを間接熱交換させることにより、寒冷流体である低圧窒素富化空気流体は、自らは凝縮液化して低圧窒素富化液化空気流体（すなわち、低圧液化ガス流体である。）になると共に、第２の低圧酸素富化液化空気流体を蒸発気化させて低圧酸素富化空気流体を生成する（第１間接熱交換工程）。

第２の低圧酸素富化液化空気流体は、第１間接熱交換器外筒１３の底部から管路６６を介して、液ヘッド差で加圧された後に減圧弁２５で所定の圧力に減圧された後、第２の低圧酸素富化液化空気流体として低圧塔５に導入され、低圧塔５の還流液となる。
低圧窒素富化液化空気流体は、第１間接熱交換器７から管路６７を介して、過冷器１２で冷却され、減圧弁２４で所定の圧力に減圧された後、低圧塔５に導入され、低圧塔５の還流液となる。

低圧塔５では、管路５９を介して導入される低圧液化窒素流体と、管路６３を介して導入される第１の低圧酸素富化液化空気流体と、管路６６を介して導入される第２の低圧酸素富化液化空気流体と、管路６７を介して導入される低圧窒素富化液化空気流体と、管路６５を介して導入される低圧酸素富化空気流体と、管路７４を介して導入される低圧酸素ガス流体とが低温蒸留され、低圧塔５の塔頂部の低圧窒素ガス流体と、低圧塔５の塔底部の低圧液化酸素流体と、低圧塔５の中間部の低圧アルゴン富化液化酸素流体とに分離される（低圧分離工程）。実施形態の低圧分離工程では、低圧酸素富化空気流体を膨張タービンを経由することなく低温蒸留に利用する。なお、低圧酸素ガス流体は、低圧塔５の上昇ガスを構成する。

低圧塔５の塔頂部の低圧窒素ガス流体は、管路６８を介して、過冷器１２で昇温され、さらに主熱交換器１１で間接熱交換によって昇温され、第３製品回収管路４３から製品低圧窒素ガスとして導出される。
低圧塔５の中間部の低圧アルゴン富化液化酸素流体は、管路７０を介して、液ポンプ３２で所定の圧力に加圧されたのち、アルゴン塔６の中間部に導入され、アルゴン塔６の還流液となる。
低圧塔５の塔底部の低圧液化酸素流体は、管路６９を介して、液ポンプ３１で所定の圧力に加圧された後、第２間接熱交換器外筒１４に導入される。

高圧塔４の塔頂部の高圧窒素ガス流体は、管路５３を介して、アルゴン塔６の底部に収容された第３間接熱交換器９に導入される。

管路７９を介して第２間接熱交換器８に導入されるアルゴンガス流体は、第２間接熱交換器外筒１４の内部の低圧液化酸素流体との間接熱交換により、自らは凝縮液化して液化アルゴン流体になると共に、低圧液化酸素流体を蒸発気化させて低圧酸素ガス流体を生成する（第２間接熱交換工程）。
液化アルゴン流体は管路７１に導出される。管路７１に導出された液化アルゴン流体の一部は管路７２を介して、アルゴン塔６の塔頂部に導入され、アルゴン塔６の還流液となる。
低圧酸素ガス流体は、管路７４に導出される。管路７４に導出された低圧酸素ガス流体は、低圧塔５の下部に導入され、低圧塔５の上昇ガスを構成する。
第２間接熱交換器外筒１４の塔底部の低圧液化酸素流体の一部は、管路７５に導出される。管路７５に導出された低圧液化酸素流体は液ヘッド差で加圧され、減圧弁２７で所定の圧力に減圧されたのち、アルゴン塔６に導入される。

管路７１に導出された液化アルゴン流体の残部は管路７３を介して、第１製品回収管路４６から製品液化アルゴンとして導出される（第１製品回収工程）。なお、第１の実施形態では液化アルゴン流体を製品として回収したが、アルゴンガス流体を製品として回収してもよい。

アルゴン塔６では、管路７０を介して導入される低圧アルゴン富化液化酸素流体と、管路７２を介して導入される液化アルゴン流体の一部と、中圧酸素ガス流体とが低温蒸留され、アルゴン塔６の塔頂部のアルゴンガス流体と、アルゴン塔６の塔底部の中圧液化酸素流体とに分離される（アルゴン分離工程）。
アルゴン塔６の塔頂部のアルゴンガス流体は、管路７９を介して、第２間接熱交換器８に導入される。

アルゴン塔６の塔底部の中圧液化酸素流体は、管路７６に導出される。管路７６に導出された中圧液化酸素流体の一部は、管路７７を介して、液ポンプ３３で所定の圧力に加圧されたのち、主熱交換器１１で間接熱交換によって蒸発気化、および昇温され、第３製品回収管路４２から製品高圧酸素ガスとして導出される（第２製品回収工程）。なお、液ポンプ３３に供給される流体として、第２間接熱交換器外筒１４に貯留された低圧液化酸素流体を用いてもよい。
管路７６に導出された中圧液化酸素流体の残部は、管路７８を介して、第２製品回収管路４５から製品液化酸素として導出される。

第１の実施形態の空気の分離方法および装置では、間接熱交換器外筒１３内の圧力が、１３０ｋＰａＡとなっている。これにより、高圧酸素富化液化空気流体の一部を送液する管路６２に液ポンプを設ける必要がなく、液ポンプを設置するための設備コスト、設置スペース及び動力を削減することができる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態の空気分離装置は、深冷分離法によって原料空気を分離する空気分離装置であって、原料空気を圧縮、精製、冷却し、高圧原料空気流体を得る原料空気前処理設備と、前記高圧原料空気流体を低温蒸留して塔頂部の高圧窒素ガス流体と中間部の高圧窒素富化空気流体と塔底部の高圧酸素富化液化空気流体とに精留分離する高圧塔と、前記高圧窒素ガス流体の一部を断熱膨張させて寒冷流体を発生させる膨張タービンと、前記寒冷流体と、前記高圧酸素富化液化空気流体を減圧して得られた低圧酸素富化液化空気流体と、を間接熱交換し、前記寒冷流体を凝縮液化して低圧液化ガス流体を生成するとともに、前記低圧酸素富化液化空気流体を蒸発気化して低圧酸素富化空気流体を生成する第１間接熱交換器と、前記低圧酸素富化空気流体を前記膨張タービンを経由することなく低温蒸留により低圧窒素ガス流体と低圧液化酸素流体と低圧アルゴン富化液化酸素流体とに分離する低圧塔と、前記低圧アルゴン富化液化酸素流体を加圧した後、低温蒸留によりアルゴンガス流体と中圧液化酸素流体とに分離するアルゴン塔と、前記アルゴンガス流体と前記低圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記アルゴンガス流体を凝縮液化して液化アルゴン流体を生成するとともに、前記低圧液化酸素流体を蒸発気化して低圧酸素ガス流体を生成する第２間接熱交換器と、前記高圧窒素ガス流体と前記中圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記高圧窒素ガス流体を凝縮液化して高圧液化窒素流体を生成するとともに、前記中圧液化酸素流体を蒸発気化させて中圧酸素ガス流体を生成する第３間接熱交換器と、前記アルゴンガス流体の一部、前記液化アルゴン流体の一部または前記第２間接熱交換器で液化しなかったアルゴンガス流体のうち、少なくとも１種のアルゴン流体を製品アルゴンガスとして導出する第１製品回収管路と、前記低圧液化酸素流体の一部、前記中圧液化酸素流体の一部、前記高圧窒素ガス流体の一部もしくは前記高圧液化窒素流体の一部のうち、少なくとも１種以上の流体を製品として導出する第２製品回収管路と、を有することを特徴とする。

図２は、本発明の第２の実施形態の空気分離装置２００の概略構成を示す系統図である。図２において、図１に示す第１の実施形態の空気分離装置１００と同一構成部分には、同一符号を付し、その説明を省略する。
なお、第２の実施形態の説明において、「低圧」とは、製品低圧窒素ガスの圧力以上で、かつ、アルゴン塔６の操作圧力よりも低い圧力のことをいう。「中圧」とは、アルゴン塔６の操作圧力以上で、かつ製品高圧窒素ガスの圧力よりも低い圧力のこという。「高圧」とは、製品高圧窒素ガスの圧力以上の圧力のことをいう。

図２に示すように、第２の実施形態の空気分離装置２００は、第１の実施形態の空気分離装置１００を構成する管路６４１を構成要素から除くこと、並びに管路８０，８１，８２、及び減圧弁２８を有すること以外は、空気分離装置１００と同様に構成される。

管路８０は、一端が膨張タービン１０の流体通路入口と接続され、他端が、第２製品回収管路４１のうち、主熱交換器１１を通過する部分と接続されている。すなわち、第２製品回収管路４１は、一端が管路５４と接続され、他端が管路８０と、管路８１とに分岐されている。なお、管路８１は、管路８０と、第２製品回収管路４１とが接続する位置より二次側の第２製品回収管路４１の部分と同一である。
管路８０は、第２製品回収管路４１に導出され、主熱交換器１１で昇温された高圧窒素ガス流体の一部を、膨張タービン１０に導入する。
管路８１は、第２製品回収管路４１に導出され、主熱交換器１１で昇温された高圧窒素ガス流体の残部を、製品高圧窒素ガスとして回収するための管路である。
管路８２は、一端が高圧塔４の中部と接続され、他端が低圧塔５の中部と接続されている。管路８２の一部は、過冷器１２を通過している。減圧弁２８は、管路８２のうち、過冷器１２と、低圧塔５との間に設けられている。減圧弁２８は、管路８２に導出される高圧塔４の還流液を減圧する。管路８２は、高圧塔４の還流液の一部を、過冷器１２で冷却し、減圧弁２８で減圧したのち、低圧塔５の中間部に導入する。

上記構成とされた第２の実施形態の空気分離装置２００では、膨張タービン１０は、高圧窒素ガス流体の一部を断熱膨張させるので、先に説明した第１の実施形態の空気分離装置１００と同様の効果を奏する。

以下、図２を参照して、第２の実施形態の空気分離方法について説明する。
第２の実施形態の空気分離方法は、深冷分離法により、原料空気を分離する空気分離方法であって、原料空気を圧縮、精製、冷却し高圧原料空気流体を得る原料空気圧縮工程と、前記高圧原料空気流体を低温蒸留により高圧窒素ガス流体と高圧窒素富化空気流体と高圧酸素富化液化空気流体とに分離する高圧分離工程と、前記高圧窒素ガス流体の一部を断熱膨張させて寒冷流体を発生させる断熱膨張工程と、前記寒冷流体と、前記高圧酸素富化液化空気流体を減圧して得られた低圧酸素富化液化空気流体と、を間接熱交換し、前記寒冷流体を凝縮液化して低圧液化ガス流体を得るとともに、前記低圧酸素富化液化空気流体を蒸発気化して低圧酸素富化空気流体を得る第１間接熱交換工程と、前記低圧酸素富化空気流体を膨張タービンを経由することなく低温蒸留により低圧窒素ガス流体と低圧液化酸素流体と低圧アルゴン富化液化酸素流体とに分離する低圧分離工程と、前記低圧アルゴン富化液化酸素流体を加圧した後、低温蒸留によりアルゴンガス流体と中圧液化酸素流体とに分離するアルゴン分離工程と、前記アルゴンガス流体と前記低圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記アルゴンガス流体を凝縮液化して液化アルゴン流体を得るとともに、前記低圧液化酸素流体を蒸発気化して低圧酸素ガス流体を得る第２間接熱交換工程と、前記高圧窒素ガス流体と前記中圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記高圧窒素ガス流体を凝縮液化して高圧液化窒素流体を得るとともに、前記中圧液化酸素流体を蒸発気化させて中圧酸素ガス流体を得る第３間接熱交換工程と、前記アルゴンガス流体の一部、前記液化アルゴン流体の一部または前記第２間接熱交換工程で液化しなかったアルゴンガス流体のうち、少なくとも１種のアルゴン流体を製品アルゴンガスとして導出する第１製品回収工程と、前記低圧液化酸素流体の一部、前記中圧液化酸素流体の一部、前記高圧窒素ガス流体の一部もしくは前記高圧液化窒素流体の一部のうち、少なくとも１種以上の流体を製品として導出する第２製品回収工程と、を含むことを特徴とする。

第２の実施形態の空気分離方法は、高圧塔４の塔頂部の高圧窒素ガス流体の一部を管路５３、管路５４、及び第２製品回収管路４１を介して、管路８０に導出し、当該高圧窒素ガス流体を管路８０から膨張タービン１０に導入することによって、空気分離装置２００に必要な寒冷を発生させていること以外は、先に説明した第１の実施の形態の空気分離方法と同様な手法により行うことができる。

第２の実施形態の空気分離方法では、管路５３に導出された高圧塔４の塔頂部の高圧窒素ガス流体の一部は、管路５４を介して第２製品回収管路４１に導出される。第２製品回収管路４１に導出された高圧窒素ガス流体は、主熱交換器１１で昇温される。
第２製品回収管路４１に導出され、主熱交換器１１で昇温された高圧窒素ガス流体の一部は膨張タービン１０で断熱膨張され、空気分離装置２００に必要な寒冷を発生させる。
膨張タービン１０で断熱膨張させて発生した寒冷流体は、管路６４２を介して、主熱交換器１１で冷却されたのち、第１間接熱交換器７に導入される。

第２の実施形態の空気分離方法では、管路８２に導出された高圧塔４を下降する還流液は、過冷器１２で冷却され、減圧弁２８で減圧されたのち、低圧塔５の中間部に導入される。減圧弁２８で減圧されたのちに低圧塔５の中間部に導入された低圧窒素富化液化空気流体は、低圧塔５の還流液となる。

図２に示す空気分離装置２００を用いた第２の実施形態の空気分離方法では、高圧窒素ガス流体の一部を断熱膨張させるので、先に説明した第１の実施形態の空気分離方法と同様の効果を奏する。

［第３の実施形態］
第３の実施形態の空気分離装置は、深冷分離法によって原料空気を分離する空気分離装置であって、原料空気を圧縮、精製、冷却し、高圧原料空気流体を得る原料空気前処理設備と、前記高圧原料空気流体を低温蒸留して塔頂部の高圧窒素ガス流体と中間部の高圧窒素富化空気流体と塔底部の高圧酸素富化液化空気流体とに精留分離する高圧塔と、前記高圧原料空気流体の一部を断熱膨張させて寒冷流体を発生させる膨張タービンと、前記寒冷流体と、前記高圧酸素富化液化空気流体を減圧して得られた低圧酸素富化液化空気流体と、を間接熱交換し、前記寒冷流体を凝縮液化して低圧液化ガス流体を生成するとともに、前記低圧酸素富化液化空気流体を蒸発気化して低圧酸素富化空気流体を生成する第１間接熱交換器と、前記低圧酸素富化空気流体を前記膨張タービンを経由することなく低温蒸留により低圧窒素ガス流体と低圧液化酸素流体と低圧アルゴン富化液化酸素流体とに分離する低圧塔と、前記低圧アルゴン富化液化酸素流体を加圧した後、低温蒸留によりアルゴンガス流体と中圧液化酸素流体とに分離するアルゴン塔と、前記アルゴンガス流体と前記低圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記アルゴンガス流体を凝縮液化して液化アルゴン流体を生成するとともに、前記低圧液化酸素流体を蒸発気化して低圧酸素ガス流体を生成する第２間接熱交換器と、前記高圧窒素ガス流体と前記中圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記高圧窒素ガス流体を凝縮液化して高圧液化窒素流体を生成するとともに、前記中圧液化酸素流体を蒸発気化させて中圧酸素ガス流体を生成する第３間接熱交換器と、前記アルゴンガス流体の一部、前記液化アルゴン流体の一部または前記第２間接熱交換器で液化しなかったアルゴンガス流体のうち、少なくとも１種のアルゴン流体を製品アルゴンガスとして導出する第１製品回収管路と、前記低圧液化酸素流体の一部、前記中圧液化酸素流体の一部、前記高圧窒素ガス流体の一部もしくは前記高圧液化窒素流体の一部のうち、少なくとも１種以上の流体を製品として導出する第２製品回収管路と、を有することを特徴とする。

図３は、本発明の第３の実施形態の空気分離装置の概略構成を示す系統図である。図３において、図１に示す第１の実施形態の空気分離装置１００と同一構成部分には、同一符号を付し、その説明を省略する。
なお、第３の実施形態の説明において、「低圧」とは、製品低圧窒素ガスの圧力以上で、かつ、アルゴン塔６の操作圧力よりも低い圧力のことをいう。「中圧」とは、アルゴン塔６の操作圧力以上で、かつ製品高圧窒素ガスの圧力よりも低い圧力のこという。「高圧」とは、製品高圧窒素ガスの圧力以上の圧力のことをいう。

図３に示すように、第３の実施形態の空気分離装置３００は、第１の実施形態の空気分離装置１００を構成する第２原料空気圧縮機３、減圧弁２１、管路５２、及び管路６４１を構成要素から除くこと、並びに管路８３，８４、減圧弁２９、及び圧縮機３５を有すること以外は、空気分離装置１００と同様に構成される。

管路８３は、一端が膨張タービン１０の流体通路入口と接続され、他端が、管路５１のうち、主熱交換器１１を通過する部分と接続されている。
管路８３は、第１原料空気圧縮機１で圧縮され、精製器２で不純物が除去された高圧原料空気流体の一部を、膨張タービン１０に導入する。
管路８４は、一端が高圧塔４の上部と接続され、他端が第２製品回収管路４１のうち、主熱交換器１１を通過していない部分と接続されている。すなわち、第２製品回収管路４１は、一端が管路５４と接続され、他端が管路８４と、管路８５とに分岐されている。なお、管路８５は、管路８４と、第２製品回収管路４１とが接続する位置より二次側の第２製品回収管路４１の部分と同一である。
圧縮機３５は、管路８４のうち、第２製品回収管路４１から分岐する位置と、主熱交換器１１との間に設けられている。圧縮機３５は、第２製品回収管路４１に導出された高圧窒素ガス流体の一部を圧縮し、昇圧窒素ガス流体を生成する。
減圧弁２９は、管路８４のうち、主熱交換器１１と、高圧塔４との間に設けられている。減圧弁２９は、圧縮機３５で圧縮された、主熱交換器１１で昇温された昇圧窒素ガス流体を減圧する。
管路８４は、第２製品回収管路４１に導出された高圧窒素ガス流体の一部を、圧縮機３５で圧縮し、昇圧窒素ガス流体とし、昇圧窒素ガス流体を主熱交換器１１で冷却し、減圧弁２９で減圧したのち、高圧塔４の塔頂部に導入する。

上記構成とされた第３の実施形態の空気分離装置３００では、膨張タービン１０は、高圧原料空気流体の一部を断熱膨張させるので、先に説明した第１の実施形態の空気分離装置１００と同様の効果を奏する。

以下、図３を参照して、第３の実施形態の空気分離方法について説明する。
第３の実施形態の空気分離方法は、深冷分離法により、原料空気を分離する空気分離方法であって、原料空気を圧縮、精製、冷却し高圧原料空気流体を得る原料空気圧縮工程と、前記高圧原料空気流体を低温蒸留により高圧窒素ガス流体と高圧窒素富化空気流体と高圧酸素富化液化空気流体とに分離する高圧分離工程と、前記高圧原料空気流体の一部を断熱膨張させて寒冷流体を発生させる断熱膨張工程と、前記寒冷流体と、前記高圧酸素富化液化空気流体を減圧して得られた低圧酸素富化液化空気流体と、を間接熱交換し、前記寒冷流体を凝縮液化して低圧液化ガス流体を得るとともに、前記低圧酸素富化液化空気流体を蒸発気化して低圧酸素富化空気流体を得る第１間接熱交換工程と、前記低圧酸素富化空気流体を膨張タービンを経由することなく低温蒸留により低圧窒素ガス流体と低圧液化酸素流体と低圧アルゴン富化液化酸素流体とに分離する低圧分離工程と、前記低圧アルゴン富化液化酸素流体を加圧した後、低温蒸留によりアルゴンガス流体と中圧液化酸素流体とに分離するアルゴン分離工程と、前記アルゴンガス流体と前記低圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記アルゴンガス流体を凝縮液化して液化アルゴン流体を得るとともに、前記低圧液化酸素流体を蒸発気化して低圧酸素ガス流体を得る第２間接熱交換工程と、前記高圧窒素ガス流体と前記中圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記高圧窒素ガス流体を凝縮液化して高圧液化窒素流体を得るとともに、前記中圧液化酸素流体を蒸発気化させて中圧酸素ガス流体を得る第３間接熱交換工程と、前記アルゴンガス流体の一部、前記液化アルゴン流体の一部または前記第２間接熱交換工程で液化しなかったアルゴンガス流体のうち、少なくとも１種のアルゴン流体を製品アルゴンガスとして導出する第１製品回収工程と、前記低圧液化酸素流体の一部、前記中圧液化酸素流体の一部、前記高圧窒素ガス流体の一部もしくは前記高圧液化窒素流体の一部のうち、少なくとも１種以上の流体を製品として導出する第２製品回収工程と、を含むことを特徴とする。

第３の実施形態の空気分離方法は、第１原料空気圧縮機１で圧縮され、精製器２で不純物が除去された高圧原料空気流体の一部を、管路８３を介して、膨張タービン１０に導入することによって、空気分離装置３００に必要な寒冷を発生させていること、及び、第２製品回収管路４１を介して、管路８４に導出された高圧窒素ガス流体の一部を圧縮機３５で圧縮し、昇圧窒素ガス流体を生成していること以外は、先に説明した第１の実施の形態の空気分離方法と同様な手法により行うことができる。

第３の実施形態の空気分離方法では、第１原料空気圧縮機１で圧縮され、精製器２で不純物が除去された高圧原料空気流体の一部は管路８３に導出される。管路８３に導出された当該高圧原料空気流体の一部は、膨張タービン１０で断熱膨張され、空気分離装置３００に必要な寒冷を発生させる。
膨張タービン１０で断熱膨張させて発生する寒冷流体は、管路６４２を介して、主熱交換器１１で冷却されたのち、第１間接熱交換器７に導入される。

第３の実施形態の空気分離方法では、管路８４に導出された高圧窒素ガス流体は、圧縮機３５で所定の圧力に昇圧され、昇圧窒素ガス流体となる。昇圧窒素ガス流体は、主熱交換器１１で冷却され、減圧弁２９で所定の圧力に減圧されたのち、高圧塔４の塔頂部に導入される。

図３に示す空気分離装置３００を用いた第３の実施形態の空気分離方法は、高圧原料空気流体の一部を断熱膨張させるので、先に説明した第１の実施形態の空気分離方法と同様の効果を奏する。

［第４の実施形態］
第４の実施形態の空気分離装置は、深冷分離法によって原料空気を分離する空気分離装置であって、原料空気を圧縮、精製、冷却し、高圧原料空気流体を得る原料空気前処理設備と、前記高圧窒素ガス流体の一部を低温蒸留して塔頂部の高圧窒素ガス流体と中間部の高圧窒素富化空気流体と塔底部の高圧酸素富化液化空気流体とに精留分離する高圧塔と、前記高圧窒素ガス流体の一部を断熱膨張させて寒冷流体を発生させる膨張タービンと、前記寒冷流体と、前記高圧酸素富化液化空気流体を減圧して得られた低圧酸素富化液化空気流体と、を間接熱交換し、前記寒冷流体を凝縮液化して低圧液化ガス流体を生成するとともに、前記低圧酸素富化液化空気流体を蒸発気化して低圧酸素富化空気流体を生成する第１間接熱交換器と、前記低圧酸素富化空気流体を前記膨張タービンを経由することなく低温蒸留により低圧窒素ガス流体と低圧液化酸素流体と低圧アルゴン富化液化酸素流体とに分離する低圧塔と、前記低圧アルゴン富化液化酸素流体を加圧した後、低温蒸留によりアルゴンガス流体と中圧液化酸素流体とに分離するアルゴン塔と、前記アルゴンガス流体と前記低圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記アルゴンガス流体を凝縮液化して液化アルゴン流体を生成するとともに、前記低圧液化酸素流体を蒸発気化して低圧酸素ガス流体を生成する第２間接熱交換器と、前記高圧窒素ガス流体と前記中圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記高圧窒素ガス流体を凝縮液化して高圧液化窒素流体を生成するとともに、前記中圧液化酸素流体を蒸発気化させて中圧酸素ガス流体を生成する第３間接熱交換器と、前記アルゴンガス流体の一部、前記液化アルゴン流体の一部または前記第２間接熱交換器で液化しなかったアルゴンガス流体のうち、少なくとも１種のアルゴン流体を製品アルゴンガスとして導出する第１製品回収管路と、前記低圧液化酸素流体の一部、前記中圧液化酸素流体の一部、前記高圧窒素ガス流体の一部もしくは前記高圧液化窒素流体の一部のうち、少なくとも１種以上の流体を製品として導出する第２製品回収管路と、を有することを特徴とする。

図４は、本発明の第４の実施形態の空気分離装置の概略構成を示す系統図である。図４において、図１〜図３に示す第１乃至第３の実施形態の空気分離装置１００，２００，３００と同一構成部分には、同一符号を付し、その説明を省略する。

なお、第４の実施形態の説明において、「低圧」とは、製品低圧窒素ガスの圧力以上で、かつ、アルゴン塔６の操作圧力よりも低い圧力のことをいう。「中圧」とは、アルゴン塔６の操作圧力以上で、かつ製品高圧窒素ガスの圧力よりも低い圧力のこという。「高圧」とは、製品高圧窒素ガスの圧力以上の圧力のことをいう。

図４に示すように、第４の実施形態の空気分離装置４００は、第１の実施形態の空気分離装置１００を構成する第２原料空気圧縮機３、減圧弁２１、管路５２、及び管路６４１を構成要素から除くこと、並びに管路８０，８４、減圧弁２９、及び圧縮機３５を有すること以外は、空気分離装置１００と同様に構成される。

上記構成とされた第４の実施形態の空気分離装置４００では、膨張タービン１０は、高圧窒素ガス流体の一部を断熱膨張させるので、先に説明した第１の実施形態の空気分離装置１００と同様の効果を奏する。

以下、図４を参照して、第４の実施形態の空気分離方法について説明する。
第４の実施形態の空気分離方法は、深冷分離法により、原料空気を分離する空気分離方法であって、原料空気を圧縮、精製、冷却し高圧原料空気流体を得る原料空気圧縮工程と、前記高圧原料空気流体を低温蒸留により高圧窒素ガス流体と高圧窒素富化空気流体と高圧酸素富化液化空気流体とに分離する高圧分離工程と、前記高圧窒素ガス流体の一部を断熱膨張させて寒冷流体を発生させる断熱膨張工程と、前記寒冷流体と、前記高圧酸素富化液化空気流体を減圧して得られた低圧酸素富化液化空気流体と、を間接熱交換し、前記寒冷流体を凝縮液化して低圧液化ガス流体を得るとともに、前記低圧酸素富化液化空気流体を蒸発気化して低圧酸素富化空気流体を得る第１間接熱交換工程と、前記低圧酸素富化空気流体を膨張タービンを経由することなく低温蒸留により低圧窒素ガス流体と低圧液化酸素流体と低圧アルゴン富化液化酸素流体とに分離する低圧分離工程と、前記低圧アルゴン富化液化酸素流体を加圧した後、低温蒸留によりアルゴンガス流体と中圧液化酸素流体とに分離するアルゴン分離工程と、前記アルゴンガス流体と前記低圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記アルゴンガス流体を凝縮液化して液化アルゴン流体を得るとともに、前記低圧液化酸素流体を蒸発気化して低圧酸素ガス流体を得る第２間接熱交換工程と、前記高圧窒素ガス流体と前記中圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記高圧窒素ガス流体を凝縮液化して高圧液化窒素流体を得るとともに、前記中圧液化酸素流体を蒸発気化させて中圧酸素ガス流体を得る第３間接熱交換工程と、前記アルゴンガス流体の一部、前記液化アルゴン流体の一部または前記第２間接熱交換工程で液化しなかったアルゴンガス流体のうち、少なくとも１種のアルゴン流体を製品アルゴンガスとして導出する第１製品回収工程と、前記低圧液化酸素流体の一部、前記中圧液化酸素流体の一部、前記高圧窒素ガス流体の一部もしくは前記高圧液化窒素流体の一部のうち、少なくとも１種以上の流体を製品として導出する第２製品回収工程と、を含むことを特徴とする。

第４の実施形態の空気分離方法は、高圧塔４の塔頂部の高圧窒素ガス流体の一部を管路５３、管路５４、及び第２製品回収管路４１を介して、管路８０に導出し、当該高圧窒素ガス流体を管路８０から膨張タービン１０に導入することによって、空気分離装置４００に必要な寒冷を発生させていること、及び、第２製品回収管路４１を介して、管路８４に導出された高圧窒素ガス流体の一部を圧縮機３５で圧縮し、昇圧窒素ガス流体を生成していること以外は、先に説明した第１の実施の形態の空気分離方法と同様な手法により行うことができる。

第４の実施形態の空気分離方法では、管路５３に導出された高圧塔４の塔頂部の高圧窒素ガス流体の一部は、管路５４を介して第２製品回収管路４１に導出される。第２製品回収管路４１に導出された高圧窒素ガス流体は、主熱交換器１１で昇温される。
第２製品回収管路４１に導出され、主熱交換器１１で昇温された高圧窒素ガス流体の一部は、管路８０に導出され、膨張タービン１０で断熱膨張され、空気分離装置２００に必要な寒冷を発生させる。
膨張タービン１０で断熱膨張させて発生する寒冷流体は、管路６４２を介して、主熱交換器１１で冷却されたのち、第１間接熱交換器７に導入される。

第４の実施形態の空気分離方法では、管路８４に導出された高圧窒素ガス流体は、圧縮機３５で所定の圧力に昇圧され、昇圧窒素ガス流体となる。昇圧窒素ガス流体は、主熱交換器１１で冷却され、減圧弁２９で所定の圧力に減圧されたのち、高圧塔４の塔頂部に導入される。

図４に示す空気分離装置４００を用いた第４の実施形態の空気分離方法は、高圧窒素ガス流体の一部を断熱膨張させるので、先に説明した第１の実施形態の空気分離方法と同様の効果を奏する。

［第５の実施形態］
第５の実施形態の空気分離装置は、深冷分離法によって原料空気を分離する空気分離装置であって、原料空気を圧縮、精製、冷却し、高圧原料空気流体を得る原料空気前処理設備と、前記高圧原料空気流体を低温蒸留して塔頂部の高圧窒素ガス流体と中間部の高圧窒素富化空気流体と塔底部の高圧酸素富化液化空気流体とに精留分離する高圧塔と、前記高圧窒素ガス流体の一部を断熱膨張させて寒冷流体を発生させる膨張タービンと、前記寒冷流体と、前記高圧酸素富化液化空気流体を減圧して得られた低圧酸素富化液化空気流体と、を間接熱交換し、前記寒冷流体を凝縮液化して低圧液化ガス流体を生成するとともに、前記低圧酸素富化液化空気流体を蒸発気化して低圧酸素富化空気流体を生成する第１間接熱交換器と、前記低圧酸素富化空気流体を前記膨張タービンを経由することなく低温蒸留により低圧窒素ガス流体と低圧液化酸素流体と低圧アルゴン富化液化酸素流体とに分離する低圧塔と、前記低圧アルゴン富化液化酸素流体を加圧した後、低温蒸留によりアルゴンガス流体と中圧液化酸素流体とに分離するアルゴン塔と、前記アルゴンガス流体と前記低圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記アルゴンガス流体を凝縮液化して液化アルゴン流体を生成するとともに、前記低圧液化酸素流体を蒸発気化して低圧酸素ガス流体を生成する第２間接熱交換器と、前記高圧窒素ガス流体と前記中圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記高圧窒素ガス流体を凝縮液化して高圧液化窒素流体を生成するとともに、前記中圧液化酸素流体を蒸発気化させて中圧酸素ガス流体を生成する第３間接熱交換器と、前記アルゴンガス流体の一部、前記液化アルゴン流体の一部または前記第２間接熱交換器で液化しなかったアルゴンガス流体のうち、少なくとも１種のアルゴン流体を製品アルゴンガスとして導出する第１製品回収管路と、前記低圧液化酸素流体の一部、前記中圧液化酸素流体の一部、前記高圧窒素ガス流体の一部もしくは前記高圧液化窒素流体の一部のうち、少なくとも１種以上の流体を製品として導出する第２製品回収管路と、を有することを特徴とする。

図５は、本発明の第４の実施形態の空気分離装置の概略構成を示す系統図である。図５において、図１〜図４に示す第１乃至第４の実施形態の空気分離装置１００，２００，３００，４００と同一構成部分には、同一符号を付し、その説明を省略する。
なお、第５の実施形態の説明において、「低圧」とは、製品低圧窒素ガスの圧力以上で、かつ、アルゴン塔６の操作圧力よりも低い圧力のことをいう。「中圧」とは、アルゴン塔６の操作圧力以上で、かつ製品高圧窒素ガスの圧力よりも低い圧力のこという。「高圧」とは、製品高圧窒素ガスの圧力以上の圧力のことをいう。

図５に示すように、第５の実施形態の空気分離装置５００は、第１の実施形態の空気分離装置１００を構成する第２原料空気圧縮機３、減圧弁２１、管路５２、及び管路６４１を構成要素から除くこと、及び管路８０，８６を有すること以外は、空気分離装置１００と同様に構成される。

管路８６は一端がアルゴン塔６の下部と接続され、他端が第３製品回収管路４２と接続されている。管路８６は、アルゴン塔６内の中圧酸素ガス流体の一部を第３製品回収管路４２に導出する。第５の実施形態では、第３製品回収管路４２は、アルゴン塔６内の第３間接熱交換器９で蒸発気化された中圧酸素ガス流体の一部を、製品中圧酸素ガスとして回収する管路である。

上記構成とされた第５の実施形態の空気分離装置５００は、先に説明した第１の実施形態の空気分離装置３００と同様の効果を奏する。

上記構成とされた第５の実施形態の空気分離装置５００では、膨張タービン１０は、高圧窒素ガス流体の一部を断熱膨張して寒冷流体を発生させる。第５の実施形態の空気分離装置５００は、前記寒冷流体と、減圧後の低圧酸素富化液化空気流体とを間接熱交換する第１間接熱交換器７を有するので、先に説明した第１の実施形態の空気分離装置１００と同様の効果を奏する。

以下、図５を参照して、第５の実施形態の空気分離方法について説明する。
第５の実施形態の空気分離方法は、深冷分離法により、原料空気を分離する空気分離方法であって、原料空気を圧縮、精製、冷却し高圧原料空気流体を得る原料空気圧縮工程と、前記高圧原料空気流体を低温蒸留により高圧窒素ガス流体と高圧窒素富化空気流体と高圧酸素富化液化空気流体とに分離する高圧分離工程と、前記高圧窒素ガス流体の一部を断熱膨張させて寒冷流体を発生させる断熱膨張工程と、前記寒冷流体と、前記高圧酸素富化液化空気流体を減圧して得られた低圧酸素富化液化空気流体と、を間接熱交換し、前記寒冷流体を凝縮液化して低圧液化ガス流体を得るとともに、前記低圧酸素富化液化空気流体を蒸発気化して低圧酸素富化空気流体を得る第１間接熱交換工程と、前記低圧酸素富化空気流体を膨張タービンを経由することなく低温蒸留により低圧窒素ガス流体と低圧液化酸素流体と低圧アルゴン富化液化酸素流体とに分離する低圧分離工程と、前記低圧アルゴン富化液化酸素流体を加圧した後、低温蒸留によりアルゴンガス流体と中圧液化酸素流体とに分離するアルゴン分離工程と、前記アルゴンガス流体と前記低圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記アルゴンガス流体を凝縮液化して液化アルゴン流体を得るとともに、前記低圧液化酸素流体を蒸発気化して低圧酸素ガス流体を得る第２間接熱交換工程と、前記高圧窒素ガス流体と前記中圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記高圧窒素ガス流体を凝縮液化して高圧液化窒素流体を得るとともに、前記中圧液化酸素流体を蒸発気化させて中圧酸素ガス流体を得る第３間接熱交換工程と、前記アルゴンガス流体の一部、前記液化アルゴン流体の一部または前記第２間接熱交換工程で液化しなかったアルゴンガス流体のうち、少なくとも１種のアルゴン流体を製品アルゴンガスとして導出する第１製品回収工程と、前記低圧液化酸素流体の一部、前記中圧液化酸素流体の一部、前記高圧窒素ガス流体の一部もしくは前記高圧液化窒素流体の一部のうち、少なくとも１種以上の流体を製品として導出する第２製品回収工程と、を含むことを特徴とする。

第５の実施形態の空気分離方法は、高圧塔４の塔頂部の高圧窒素ガス流体の一部を管路５３、及び管路５４を介して、管路８０に導出し、当該高圧窒素ガス流体を管路８０から膨張タービン１０に導入することによって、空気分離装置５００に必要な寒冷を発生させていること、及び、アルゴン塔６内の中圧酸素ガス流体を、管路８６を介して、第３製品回収管路４２に導出し、当該中圧酸素ガス流体を主熱交換器１１で間接熱交換によって昇温し、第３製品回収管路４２から製品中圧酸素ガスとして導出していること以外は、先に説明した第１の実施の形態の空気分離方法と同様な手法により行うことができる。

第５の実施形態の空気分離方法では、管路５３に導出された高圧塔４の塔頂部の高圧窒素ガス流体の一部は、管路５４を介して第２製品回収管路４１に導出される。第２製品回収管路４１に導出された高圧窒素ガス流体は、主熱交換器１１で昇温される。
第２製品回収管路４１に導出され、主熱交換器１１で昇温された高圧窒素ガス流体の一部は膨張タービン１０で断熱膨張され、空気分離装置５００に必要な寒冷を発生させる。
膨張タービン１０で断熱膨張させて発生する寒冷流体は、管路６４２を介して、主熱交換器１１で昇温されたのち、第１間接熱交換器７に導入される。
第５の実施形態では、アルゴン塔６内の第３間接熱交換器９で蒸発気化された中圧酸素ガス流体の一部を管路８６に導出し、第３製品回収管路４２で製品中圧酸素ガスとして導出している。

図５に示す空気分離装置５００を用いた第５の実施形態の空気分離方法は、高圧窒素ガス流体の一部を断熱膨張させるので、先に説明した第１の実施形態の空気分離方法と同様の効果を奏する。

図７ａは従来の空気分離装置６００の構成、及びその配置を示す模式図である。図７ｂは、本発明の第１乃至第５の実施形態の空気分離装置１００，２００，３００，４００，５００の構成、及びその配置を示す模式図である。

図７ａ，ｂを比較すると、どちらの空気分離装置とも、低圧塔５の上方に第１間接熱交換器７が配置されている。従来の空気分離装置では液ポンプ３４が必要であるが、本発明では液ポンプ３４を設置する必要がないため、従来よりも省スペース化を図ることができ、コスト、設置面積、及び消費動力を削減可能な空気分離装置を実現することができる。

以上説明した少なくとも一つの実施形態の空気分離方法、及び空気分離装置によれば、第１間接熱交換器外筒１３内の圧力を、１３０ｋＰａＡとすることができる。これにより、管路６１に導出される高圧酸素富化液化空気流体の一部を送液する管路６２に液ポンプを設けなくとも、第１間接熱交換器外筒１３に当該高圧酸素富化液化空気流体を送液することができる。したがって、かかる液ポンプを設置するための設備コスト、設置スペース及び動力を削減することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されない。また、本発明は特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が加えられてよい。

１００，２００，３００，４００，５００，６００・・・空気分離装置、１・・・第１原料空気圧縮機、２・・・精製器、３・・・第２原料空気圧縮機、４・・高圧塔、５・・・低圧塔、６・・・アルゴン塔、７・・・第１間接熱交換器、８・・・第２間接熱交換器、９・・・第３間接熱交換器、１０・・・膨張タービン、１１・・・主熱交換器、１２・・・過冷器、１３・・・第１間接熱交換器外筒、１４・・・第２間接熱交換器外筒、２１〜２９・・・減圧弁、３１，３２，３３，３４・・・液ポンプ、３５・・・圧縮機、４１，４４，４５・・・第２製品回収管路、４２、４３・・・第３製品回収管路、４６・・・第１製品回収管路、５０〜６３，６５〜８６，６４１，６４２・・・管路

Claims (4)

1. 深冷分離法により、原料空気を分離する空気分離方法であって、
   原料空気を圧縮、精製、冷却し高圧原料空気流体を得る原料空気圧縮工程と、
   前記高圧原料空気流体を低温蒸留により高圧窒素ガス流体と高圧窒素富化空気流体と高圧酸素富化液化空気流体とに分離する高圧分離工程と、
   前記高圧窒素ガス流体の一部を断熱膨張させて寒冷流体を発生させる断熱膨張工程と、
   前記寒冷流体と、前記高圧酸素富化液化空気流体を減圧して得られた低圧酸素富化液化空気流体と、を間接熱交換し、前記寒冷流体を凝縮液化して低圧液化ガス流体を得るとともに、前記低圧酸素富化液化空気流体を蒸発気化して低圧酸素富化空気流体を得る第１間接熱交換工程と、
   前記低圧酸素富化空気流体を膨張タービンを経由することなく低温蒸留により低圧窒素ガス流体と低圧液化酸素流体と低圧アルゴン富化液化酸素流体とに分離する低圧分離工程と、
   前記低圧アルゴン富化液化酸素流体を加圧した後、低温蒸留によりアルゴンガス流体と中圧液化酸素流体とに分離するアルゴン分離工程と、
   前記アルゴンガス流体と前記低圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記アルゴンガス流体を凝縮液化して液化アルゴン流体を得るとともに、前記低圧液化酸素流体を蒸発気化して低圧酸素ガス流体を得る第２間接熱交換工程と、
   前記高圧窒素ガス流体と前記中圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記高圧窒素ガス流体を凝縮液化して高圧液化窒素流体を得るとともに、前記中圧液化酸素流体を蒸発気化させて中圧酸素ガス流体を得る第３間接熱交換工程と、
   前記アルゴンガス流体の一部、前記液化アルゴン流体の一部または前記第２間接熱交換工程で液化しなかったアルゴンガス流体のうち、少なくとも１種のアルゴン流体を製品アルゴンガスとして導出する第１製品回収工程と、
   前記低圧液化酸素流体の一部、前記中圧液化酸素流体の一部、前記高圧窒素ガス流体の一部もしくは前記高圧液化窒素流体の一部のうち、少なくとも１種以上の流体を製品として導出する第２製品回収工程と、
   を含むことを特徴とする空気分離方法。
2. 深冷分離法により、原料空気を分離する空気分離方法であって、
   原料空気を圧縮、精製、冷却し高圧原料空気流体を得る原料空気圧縮工程と、
   前記高圧原料空気流体を低温蒸留により高圧窒素ガス流体と高圧窒素富化空気流体と高圧酸素富化液化空気流体とに分離する高圧分離工程と、
   前記高圧原料空気流体の一部、または前記高圧窒素富化空気流体のいずれかを断熱膨張させて寒冷流体を発生させる断熱膨張工程と、
   前記寒冷流体と、前記高圧酸素富化液化空気流体を減圧して得られた低圧酸素富化液化空気流体と、を間接熱交換し、前記寒冷流体を凝縮液化して低圧液化ガス流体を得るとともに、前記低圧酸素富化液化空気流体を蒸発気化して低圧酸素富化空気流体を得る第１間接熱交換工程と、
   前記低圧酸素富化空気流体を膨張タービンを経由することなく低温蒸留により低圧窒素ガス流体と低圧液化酸素流体と低圧アルゴン富化液化酸素流体とに分離する低圧分離工程と、
   前記低圧アルゴン富化液化酸素流体を加圧した後、低温蒸留によりアルゴンガス流体と中圧液化酸素流体とに分離するアルゴン分離工程と、
   前記アルゴンガス流体と前記低圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記アルゴンガス流体を凝縮液化して液化アルゴン流体を得るとともに、前記低圧液化酸素流体を蒸発気化して低圧酸素ガス流体を得る第２間接熱交換工程と、
   前記高圧窒素ガス流体と前記中圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記高圧窒素ガス流体を凝縮液化して高圧液化窒素流体を得るとともに、前記中圧液化酸素流体を蒸発気化させて中圧酸素ガス流体を得る第３間接熱交換工程と、
   前記アルゴンガス流体の一部、前記液化アルゴン流体の一部または前記第２間接熱交換工程で液化しなかったアルゴンガス流体のうち、少なくとも１種のアルゴン流体を製品アルゴンガスとして導出する第１製品回収工程と、
   前記低圧液化酸素流体の一部、前記中圧液化酸素流体の一部、前記高圧窒素ガス流体の一部もしくは前記高圧液化窒素流体の一部のうち、少なくとも１種以上の流体を製品として導出する第２製品回収工程と、
   を含むことを特徴とする空気分離方法。
3. 深冷分離法によって原料空気を分離する空気分離装置であって、
   原料空気を圧縮、精製、冷却し、高圧原料空気流体を得る原料空気前処理設備と、
   前記高圧原料空気流体を低温蒸留して塔頂部の高圧窒素ガス流体と中間部の高圧窒素富化空気流体と塔底部の高圧酸素富化液化空気流体とに精留分離する高圧塔と、
   前記高圧窒素ガス流体の一部を断熱膨張させて寒冷流体を発生させる膨張タービンと、
   前記寒冷流体と、前記高圧酸素富化液化空気流体を減圧して得られた低圧酸素富化液化空気流体と、を間接熱交換し、前記寒冷流体を凝縮液化して低圧液化ガス流体を生成するとともに、前記低圧酸素富化液化空気流体を蒸発気化して低圧酸素富化空気流体を生成する第１間接熱交換器と、
   前記低圧酸素富化空気流体を前記膨張タービンを経由することなく低温蒸留により低圧窒素ガス流体と低圧液化酸素流体と低圧アルゴン富化液化酸素流体とに分離する低圧塔と、
   前記低圧アルゴン富化液化酸素流体を加圧した後、低温蒸留によりアルゴンガス流体と中圧液化酸素流体とに分離するアルゴン塔と、
   前記アルゴンガス流体と前記低圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記アルゴンガス流体を凝縮液化して液化アルゴン流体を生成するとともに、前記低圧液化酸素流体を蒸発気化して低圧酸素ガス流体を生成する第２間接熱交換器と、
   前記高圧窒素ガス流体と前記中圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記高圧窒素ガス流体を凝縮液化して高圧液化窒素流体を生成するとともに、前記中圧液化酸素流体を蒸発気化させて中圧酸素ガス流体を生成する第３間接熱交換器と、
   前記アルゴンガス流体の一部、前記液化アルゴン流体の一部または前記第２間接熱交換器で液化しなかったアルゴンガス流体のうち、少なくとも１種のアルゴン流体を製品アルゴンガスとして導出する第１製品回収管路と、
   前記低圧液化酸素流体の一部、前記中圧液化酸素流体の一部、前記高圧窒素ガス流体の一部もしくは前記高圧液化窒素流体の一部のうち、少なくとも１種以上の流体を製品として導出する第２製品回収管路と、
   を有することを特徴とする空気分離装置。
4. 深冷分離法によって原料空気を分離する空気分離装置であって、
   原料空気を圧縮、精製、冷却し、高圧原料空気流体を得る原料空気前処理設備と、
   前記高圧原料空気流体を低温蒸留して塔頂部の高圧窒素ガス流体と中間部の高圧窒素富化空気流体と塔底部の高圧酸素富化液化空気流体とに精留分離する高圧塔と、
   前記高圧原料空気流体の一部、または前記高圧窒素富化空気流体のいずれかを断熱膨張させて寒冷流体を発生させる膨張タービンと、
   前記寒冷流体と、前記高圧酸素富化液化空気流体を減圧して得られた低圧酸素富化液化空気流体と、を間接熱交換し、前記寒冷流体を凝縮液化して低圧液化ガス流体を生成するとともに、前記低圧酸素富化液化空気流体を蒸発気化して低圧酸素富化空気流体を生成する第１間接熱交換器と、
   前記低圧酸素富化空気流体を前記膨張タービンを経由することなく低温蒸留により低圧窒素ガス流体と低圧液化酸素流体と低圧アルゴン富化液化酸素流体とに分離する低圧塔と、
   前記低圧アルゴン富化液化酸素流体を加圧した後、低温蒸留によりアルゴンガス流体と中圧液化酸素流体とに分離するアルゴン塔と、
   前記アルゴンガス流体と前記低圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記アルゴンガス流体を凝縮液化して液化アルゴン流体を生成するとともに、前記低圧液化酸素流体を蒸発気化して低圧酸素ガス流体を生成する第２間接熱交換器と、
   前記高圧窒素ガス流体と前記中圧液化酸素流体とを間接熱交換し、前記高圧窒素ガス流体を凝縮液化して高圧液化窒素流体を生成するとともに、前記中圧液化酸素流体を蒸発気化させて中圧酸素ガス流体を生成する第３間接熱交換器と、
   前記アルゴンガス流体の一部、前記液化アルゴン流体の一部または前記第２間接熱交換器で液化しなかったアルゴンガス流体のうち、少なくとも１種のアルゴン流体を製品アルゴンガスとして導出する第１製品回収管路と、
   前記低圧液化酸素流体の一部、前記中圧液化酸素流体の一部、前記高圧窒素ガス流体の一部もしくは前記高圧液化窒素流体の一部のうち、少なくとも１種以上の流体を製品として導出する第２製品回収管路と、
   を有することを特徴とする空気分離装置。

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