JP7458226B2 - 空気分離装置及び酸素ガス製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、空気分離装置及び酸素ガス製造方法に関する。
特許文献１には、高圧酸素を直接採取可能な空気分離装置が開示されている。図２は、従来の空気分離装置の構成を示す系統図である。図２に示すように、従来の空気分離装置６０では、低圧塔１０６の底部から経路Ｌ１０９に抜き出された低圧液化酸素が液化酸素ポンプ１１１で昇圧された後、主熱交換器１０４において経路Ｌ１０２を流れる昇圧原料空気との熱交換により、高圧製品酸素ガスが製造される。なお、経路Ｌ１０２には空気昇圧機１１２が配設されており、空気圧縮機１０１によって高圧にされた原料空気をさらに昇圧する。また、経路Ｌ１０２を流れる昇圧された原料空気は、主熱交換器１０４により冷却されて液化原料空気となり、バルブＶ１０１により減圧された後に高圧塔１０５の中間部に導入される。
しかしながら、従来の空気分離装置６０では、液化酸素ポンプ１１１及び空気昇圧機１１２の少なくとも一方が停止した場合に製品高圧酸素ガスを採取できない。以後、液化酸素ポンプ１１１、空気昇圧機１１２の少なくとも一方が停止しているときをを「回転機械停止時」と言い、液化酸素ポンプ１１１及び空気昇圧機１１２共に稼動しているときを「通常運転時」と言う。
従来の空気分離装置６０において、液化酸素ポンプ１１１が何らかの理由で停止すると、低圧塔１０６の底部から経路Ｌ１０９に抜き出しされた低圧液化酸素を液化酸素ポンプ１１１で昇圧することができなくなる。従来の空気分離装置６０において物質収支を考慮すると、低圧塔１０６から低圧酸素ガスを抜き出して製品酸素ガスとする方法もある。通常運転時では、経路Ｌ１０２によって液化状態で高圧塔１０５に導入されていた昇圧原料空気（液化原料空気）は、回転機械停止時では、経路Ｌ１０２によって供給される昇圧原料空気は、気化する対象（液化酸素）が無いために自身は液化することが無く、ガス状態で高圧塔１０５に導入されることになる。
すなわち、従来の空気分離装置６０では、液化酸素ポンプ１１１あるいは空気昇圧機１１２の停止時に、高圧塔１０５に導入される原料空気は、略全量ガス状態なので、高圧塔１０５を上昇する原料空気が多くなり、高圧塔１０５の負荷が通常運転時を超過するため、高圧塔１０５に供給する原料空気の供給量を減量する必要があり、製品酸素ガスの製造量も減少するという課題があった。
一方、従来の空気分離装置６０において、空気昇圧機１１２が何らかの理由で停止すると、低圧塔１０６の底部から経路Ｌ１０９に抜き出しされた低圧液化酸素を気化させる熱源がないので、液化酸素を液化酸素ポンプ１１１で昇圧することができなくなる。
その場合であっても、従来の空気分離装置６０において物質収支を考慮すると、低圧塔１０６から低圧酸素ガスを抜き出して製品酸素ガスとして抜き出す方法もある。その場合であっても、所定の酸素流量を確保する為には、所定の原料空気を高圧塔に導入する必要があり、前述の問題が生じる。
一方、これを回避するために、液化酸素ポンプ１１１あるいは空気昇圧機１１２の停止時に備え、高圧塔１０５の径を大きく設計することも考えられる。しかし、精留塔の一般的な運転範囲が１００（設計運転）～６０％負荷運転であり、高圧塔１０５を通常の内部昇圧プロセスの運転をする場合、従来プロセスでは精留塔にとっては７０％程度負荷の減量運転となり、減量運転範囲が小さくなり無駄となるデメリットがある。
また、低圧塔１０６の液溜部には原料空気中に含まれる炭化水素が溜まる傾向があるが、通常運転時は低圧塔１０６の液溜部から液化酸素と同伴されるため、液溜部の炭化水素の濃度は一定となる。一方、液化酸素ポンプ１１１あるいは空気昇圧機１１２の停止時に、低圧塔１０６より酸素ガスを採取する場合、低圧塔１０６の液溜部に炭化水素が濃縮される傾向なので、何らかの対策が必要となる。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、空気昇圧機及び液化酸素ポンプのいずれかが停止した場合でも連続運転が可能であり、製品酸素ガスを供給可能な空気分離装置、及びこれを用いる酸素ガス製造方法を提供することを課題とする。
本発明は以下の構成を有する。
［１］ 原料空気を低温で蒸留し、少なくとも高圧窒素ガスと高圧酸素富化液化空気とに分離する高圧塔と、
少なくとも前記高圧酸素富化液化空気を低温で蒸留し、低圧窒素ガスと低圧液化酸素とに分離する低圧塔と、
前記高圧窒素ガスと前記低圧液化酸素とを間接的に熱交換し、前記高圧窒素ガスを液化して高圧液化窒素を生成し、前記低圧液化酸素を気化して低圧酸素ガスを生成する第１凝縮器と、
前記原料空気の一部をさらに昇圧する空気昇圧機と、
前記低圧塔から抜き出した前記低圧液化酸素の一部を昇圧する液化酸素ポンプと、
前記空気昇圧機で昇圧された昇圧原料空気と、前記液化酸素ポンプによって昇圧された高圧液化酸素とを間接的に熱交換し、前記昇圧原料空気を液化して昇圧液化原料空気を生成し、前記高圧液化酸素を気化して高圧酸素ガスを生成する主熱交換器と、
前記低圧塔から抜き出した前記低圧液化酸素の一部と、前記原料空気の一部とを間接的に熱交換し、前記原料空気を液化して原料液化空気を生成し、前記低圧液化酸素を気化して低圧酸素ガスを生成する第２凝縮器とを備える、空気分離装置。
［２］ 前記第１凝縮器が、流下液膜式の凝縮器である、前項［１］に記載の空気分離装置。
［３］ 前項［１］又は２に記載の空気分離装置を用いて、酸素ガスを製造する方法であって、
前記空気昇圧機及び前記液化酸素ポンプの少なくとも一方が停止している場合、前記低圧塔から抜き出した前記低圧液化酸素を前記第２凝縮器で気化させ、低圧酸素ガスとして供給する、酸素ガス製造方法。
［１］ 原料空気を低温で蒸留し、少なくとも高圧窒素ガスと高圧酸素富化液化空気とに分離する高圧塔と、
少なくとも前記高圧酸素富化液化空気を低温で蒸留し、低圧窒素ガスと低圧液化酸素とに分離する低圧塔と、
前記高圧窒素ガスと前記低圧液化酸素とを間接的に熱交換し、前記高圧窒素ガスを液化して高圧液化窒素を生成し、前記低圧液化酸素を気化して低圧酸素ガスを生成する第１凝縮器と、
前記原料空気の一部をさらに昇圧する空気昇圧機と、
前記低圧塔から抜き出した前記低圧液化酸素の一部を昇圧する液化酸素ポンプと、
前記空気昇圧機で昇圧された昇圧原料空気と、前記液化酸素ポンプによって昇圧された高圧液化酸素とを間接的に熱交換し、前記昇圧原料空気を液化して昇圧液化原料空気を生成し、前記高圧液化酸素を気化して高圧酸素ガスを生成する主熱交換器と、
前記低圧塔から抜き出した前記低圧液化酸素の一部と、前記原料空気の一部とを間接的に熱交換し、前記原料空気を液化して原料液化空気を生成し、前記低圧液化酸素を気化して低圧酸素ガスを生成する第２凝縮器とを備える、空気分離装置。
［２］ 前記第１凝縮器が、流下液膜式の凝縮器である、前項［１］に記載の空気分離装置。
［３］ 前項［１］又は２に記載の空気分離装置を用いて、酸素ガスを製造する方法であって、
前記空気昇圧機及び前記液化酸素ポンプの少なくとも一方が停止している場合、前記低圧塔から抜き出した前記低圧液化酸素を前記第２凝縮器で気化させ、低圧酸素ガスとして供給する、酸素ガス製造方法。
本発明の空気分離装置及び酸素ガス製造方法は、空気昇圧機及び液化酸素ポンプのいずれかが停止した場合でも連続運転が可能であり、製品酸素ガスを供給可能である。
以下、本発明を適用した一実施形態である空気分離装置の構成について、通常運転時の空気分離方法（空気分離装置の運転方法）と併せて、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、各構成要素のレイアウトは実際と異なる場合がある。
本発明において、「経路」とは、内側の空間に流体を流通可能な流路（ライン）をいう。経路には、供給経路、導入経路、導出経路、排出経路、回収経路等が含まれる。経路には、１以上の分岐や合流が含まれていてもよい。経路は、金属製又は樹脂製の、１以上の配管から構成される。
また、経路を流れる流体は、１種類の気体（ガス）、２種以上の混合気体（ガス）、１種類の液体、２種以上の混合液体、及びこれらの混合流体を含む。
バルブは、開閉バルブ、減圧バルブ、流量調整バルブ等を含む。
また、経路を流れる流体は、１種類の気体（ガス）、２種以上の混合気体（ガス）、１種類の液体、２種以上の混合液体、及びこれらの混合流体を含む。
バルブは、開閉バルブ、減圧バルブ、流量調整バルブ等を含む。
＜空気分離装置＞
図１は、本発明の一実施形態である空気分離装置の構成の一例を示す系統図である。
図１に示すように、本実施形態の空気分離装置５０は、空気圧縮機１、空気予冷器２、空気精製器３、主熱交換器４、高圧塔５、低圧塔６、第１凝縮器７、気液分離器８、第２凝縮器９、過冷器１０、液化酸素ポンプ１１、空気昇圧機１２、空気予冷器１３、膨張タービン１４、経路Ｌ１～Ｌ１３、バルブＶ１～Ｖ４、及びコールドボックスＣＬを備える。
図１は、本発明の一実施形態である空気分離装置の構成の一例を示す系統図である。
図１に示すように、本実施形態の空気分離装置５０は、空気圧縮機１、空気予冷器２、空気精製器３、主熱交換器４、高圧塔５、低圧塔６、第１凝縮器７、気液分離器８、第２凝縮器９、過冷器１０、液化酸素ポンプ１１、空気昇圧機１２、空気予冷器１３、膨張タービン１４、経路Ｌ１～Ｌ１３、バルブＶ１～Ｖ４、及びコールドボックスＣＬを備える。
本実施形態の空気分離装置５０は、コールドボックスＣＬの内側に、主熱交換器４、高圧塔５、低圧塔６、第１凝縮器７、気液分離器８、第２凝縮器９、過冷器１０、及び液化酸素ポンプ１１を収容する。
本実施形態の空気分離装置５０は、通常運転時には経路Ｌ９より製品高圧酸素ガスを取り出し、空気昇圧機１２及び液化酸素ポンプ１１のいずれかが停止した場合には、経路Ｌ１１より製品低圧酸素ガスを取り出すことが可能な装置である。
本実施形態の空気分離装置５０は、通常運転時には経路Ｌ９より製品高圧酸素ガスを取り出し、空気昇圧機１２及び液化酸素ポンプ１１のいずれかが停止した場合には、経路Ｌ１１より製品低圧酸素ガスを取り出すことが可能な装置である。
空気圧縮機１は、原料空気を圧縮し、圧縮された原料空気は、空気予冷器２に供給される。
空気予冷器２によって圧縮熱が取り除かれた原料空気は、経路Ｌ１を介して、空気精製器３に供給される。
空気精製器３は、圧縮熱が取り除かれた原料空気中に含まれる不純物（具体的には、水、二酸化炭素等）を除去する。空気精製器３には、不純物を吸着除去するための吸着剤が充填されている。
空気精製器３によって不純物が除去された原料空気は、一部が経路Ｌ１Ｂに供給され、残部が経路Ｌ２，Ｌ３にそれぞれ分岐される。また、経路Ｌ１Ｂに供給された原料空気は、主熱交換器４に供給されて冷却された後、その一部が経路Ｌ１Ａを介して高圧塔５の下部に導入され、残部が経路Ｌ１から分岐された経路Ｌ４Ａに供給される。
経路Ｌ２を介して導入された原料空気は、空気昇圧機１２によってさらに圧縮され（昇圧原料空気）、空気予冷器１３に導入される。
空気予冷器１３によって圧縮熱が取り除かれた昇圧原料空気は、主熱交換器４及びバルブＶ１を経由した後、経路Ｌ２Ａを介して、昇圧液化原料空気として高圧塔５の中間部～下部に供給される。
主熱交換器４は、経路Ｌ１Ｂ，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ８，Ｌ９，Ｌ１１に亘るように配置されている。主熱交換器４には、経路Ｌ１Ｂ，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ８，Ｌ９，Ｌ１１がそれぞれ通過する。主熱交換器４では、経路Ｌ１Ｂ，Ｌ２，Ｌ３を流れる高温流体と、経路Ｌ８，Ｌ９，Ｌ１１を流れる低温流体と、が間接的に熱交換することで、各高温流体が冷却され、各低温流体が加温される。
なお、本実施形態の空気分離装置５０では、定常運転時、主熱交換器４において、経路Ｌ２を流れる昇圧原料空気と、経路Ｌ９を流れる高圧液化酸素とが間接的に熱交換される。これにより、主熱交換器４において、経路Ｌ２では、昇圧原料空気が液化して昇圧液化原料空気が生成し、経路Ｌ９では、高圧液化酸素が気化して高圧酸素ガスが生成する。
経路Ｌ３に分岐した原料空気は、膨張タービンブロワ１５に導入され昇圧される。昇圧された原料空気は、図示しない膨張タービンブロワクーラー冷却され、主熱交換器４に導入される。主熱交換器４に導入された原料空気は、主熱交換器４の中間部分から抜き出され膨張タービン１４に導入される。膨張タービン１４によって断熱膨張した原料空気は、装置の運転に必要な寒冷を発生させ、低圧塔６の中間部に供給される。
高圧塔５には、経路Ｌ１Ａ，Ｌ２Ａ，Ｌ５，Ｌ６，Ｌ７が、それぞれ接続されている。
高圧塔５は、経路Ｌ１Ａから供給される高圧の原料空気と、経路Ｌ２Ａから供給される昇圧液化原料空気と、経路Ｌ５から供給される高圧液化窒素とを低温で蒸留して、高圧窒素ガスと高圧酸素富化液化空気とに分離する。この低温での蒸留により、高圧塔５の上部には高圧窒素ガスが濃縮され、高圧塔５の下部には高圧酸素富化液化空気が濃縮される。
高圧塔５は、経路Ｌ１Ａから供給される高圧の原料空気と、経路Ｌ２Ａから供給される昇圧液化原料空気と、経路Ｌ５から供給される高圧液化窒素とを低温で蒸留して、高圧窒素ガスと高圧酸素富化液化空気とに分離する。この低温での蒸留により、高圧塔５の上部には高圧窒素ガスが濃縮され、高圧塔５の下部には高圧酸素富化液化空気が濃縮される。
高圧塔５の上部に濃縮した高圧窒素ガスは、経路Ｌ５に抜き出され、低圧塔６の低部に設置された第１凝縮器７に供給され、後述する液化酸素との熱交換によって冷却、液化されて高圧液化窒素となる。高圧液化窒素は、経路Ｌ１３に一部が分岐し、高圧液化窒素の残部は経路Ｌ５によって高圧塔５の上部に導入される。
なお、本実施形態の空気分離装置５０は、後述するように、空気昇圧機及び液化酸素ポンプのいずれかが停止した場合でも低圧塔６の下部～底部から低圧液化酸素を抜き出して製品低圧酸素ガスとして供給する。このため、本実施形態の空気分離装置５０では、低圧塔６の下部～底部に貯留される低圧液化酸素中に炭化水素が濃縮されにくい。したがって、本実施形態の空気分離装置５０によれば、第１凝縮器７として流下液膜式の凝縮器を適用することが可能である。第１凝縮器７として流下液膜式の凝縮器を適用することで、高圧塔の運転圧力を低くする効果が得られる。
経路Ｌ１３に導入された高圧液化窒素は、過冷器１０に導入され、後述する低圧窒素ガスとの熱交換によって、冷却される。過冷器１０からの高圧液化窒素はバルブＶ４によって減圧され、低圧塔６に供給される。
高圧塔５の中間部から高圧液化空気は、経路Ｌ６から抜き出され、過冷器１０で冷却され、バルブＶ２で減圧した後に低圧塔６に供される。
高圧塔５の底部の高圧酸素富化液化空気は、経路Ｌ７に抜き出され、過冷器１０で冷却され、バルブＶ３で減圧した後に低圧塔６に供される。
低圧塔６には、経路Ｌ３，Ｌ６，Ｌ７，Ｌ８，Ｌ９，Ｌ１０，Ｌ１３が、それぞれ接続されている。
低圧塔６は、経路Ｌ３から供給される流体と、経路Ｌ６から供給される流体と、経路Ｌ７から供給される流体と、経路Ｌ１３から供給される流体を低温で蒸留して、低圧窒素ガスと低圧液化酸素とに分離する。この低温での蒸留により、低圧塔６の上部～頂部（塔頂部）には低圧窒素ガスが濃縮され、低圧塔６の下部～底部（塔底部）には低圧液化酸素が濃縮される。
低圧塔６は、経路Ｌ３から供給される流体と、経路Ｌ６から供給される流体と、経路Ｌ７から供給される流体と、経路Ｌ１３から供給される流体を低温で蒸留して、低圧窒素ガスと低圧液化酸素とに分離する。この低温での蒸留により、低圧塔６の上部～頂部（塔頂部）には低圧窒素ガスが濃縮され、低圧塔６の下部～底部（塔底部）には低圧液化酸素が濃縮される。
低圧窒素ガスは、経路Ｌ８に導入され、過冷器１０に導入される。低圧窒素ガスは、過冷器１０において、前述した高圧液化窒素、高圧液化空気及び高圧酸素富化液化空気との熱交換によって加温され、更に主熱交換器４によって熱回収された後、常温の製品低圧窒素ガス（ＬＰＧＮ２）として回収される。
低圧液化酸素は、経路Ｌ９から抜き出され、液化酸素ポンプ１１によって加圧され、主熱交換器４によって気化された後、常温の製品高圧酸素ガス（ＨＰＧＯ２）として回収される。
従って、定常運転状態では、高圧液化酸素は、主熱交換器４において、主に経路Ｌ２に導入された昇圧原料空気との熱交換によって気化される。一方、その熱交換によって、昇圧原料空気自身は液化し、バルブＶ１、経路Ｌ２Ａから高圧塔５に導入される。つまり、通常運転時では、高圧塔５に導入される原料空気の中で、経路Ｌ１Ａを通じて導入される原料空気は略ガス状態であり、経路Ｌ２Ａを通じて導入される原料空気は略液状態である。
気液分離器８には、経路Ｌ１０、Ｌ１１、Ｌ１２がそれぞれ接続されている。気液分離器８は、第２凝縮器９を収容する。気液分離器８は、低圧塔６の下部から経路Ｌ１０を介して供給される低圧液化酸素を、第２凝縮器９によって気化した低圧酸素ガスと、第２凝縮器９によって気化しなかった低圧液化酸素に分離する。但し、通常運転時では、経路Ｌ１０、Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ４Ａ，Ｌ４Ｂに流体が流れる事はなく、第２凝縮器９において熱交換は生じていない。
＜空気分離方法＞
以下、本実施形態の空気分離装置５０の運転方法（空気分離方法）、すなわち、上述した空気分離装置５０を用いる酸素ガスの製造方法の一例について、詳細に説明する。
以下、上述した空気分離装置５０の回転機械が停止した際（回転機械停止時）の空気分離方法（酸素ガスの製造方法）について、説明する。
以下、本実施形態の空気分離装置５０の運転方法（空気分離方法）、すなわち、上述した空気分離装置５０を用いる酸素ガスの製造方法の一例について、詳細に説明する。
以下、上述した空気分離装置５０の回転機械が停止した際（回転機械停止時）の空気分離方法（酸素ガスの製造方法）について、説明する。
液化酸素ポンプ１１、空気昇圧機１２の少なくとも一方が停止し、回転機械停止時となった場合、正常に稼働中の液化酸素ポンプ１１、空気昇圧機１２があれば、直ちに停止する。その後、経路Ｌ９を遮断し、経路Ｌ９から抜き出されていた低圧液化酸素を経路Ｌ１０から気液分離器８に導入する。更に、定常運転状態では、経路Ｌ１から経路Ｌ２に分岐されていた原料空気を遮断し、その原料空気を経路Ｌ１Ｂ経由で主熱交換器４に導入して冷却する。
Ｌ１０から気液分離器８に導入さた低圧液化酸素は、気液分離器８内に貯液される。気液分離器８内に貯液された低圧液化酸素は、後述する経路Ｌ４Ａに分岐された原料空気と熱交換し、大部分が気化する。気化した低圧酸素ガスは、経路Ｌ１１から主熱交換器４に導入され、加熱されて常温の製品酸素ガスとなる。Ｌ１０から気液分離器８に導入さた低圧液化酸素の一部は、経路Ｌ１２から抜き出される。
主熱交換器４で冷却された原料空気の一部は、経路Ｌ４Ａに分岐される。Ｌ４Ａに分岐された原料空気は、温流体として第２凝縮器９に導入され、前述した低圧液化酸素との熱交換によって液化し、経路Ｌ４Ｂ、Ｌ２Ａを経由して高圧塔５に導入される。
尚、上記以外の部分については、通常運転時と基本的に、同じである。
尚、上記以外の部分については、通常運転時と基本的に、同じである。
次に、従来の空気分離装置６０、本実施形態の空気分離装置５０において、通常運転時、及び回転機械停止時の、高圧塔５に導入される原料空気の状態を比較し、以下の表１に示す。
（従来の空気分離装置６０）
通常運転時、空気圧縮機１０１から経路Ｌ１０１に供給される原料空気量を１００とする。経路Ｌ１０９により、低圧塔１０６の底部から導出され、液化酸素ポンプ１１１に導入される低圧液化酸素の量は、２０とする。通常運転時、経路Ｌ１０１により高圧塔１０５の下部に導入されるガス状の原料空気量は、６０である。
一方、液化酸素との熱交換によって液化し、経路Ｌ１０２により高圧塔１０５の中間部に導入される液化原料空気量は、３０である。
また、経路Ｌ１０３により、低圧塔１０６の中間部に導入されるガス状の原料空気は、１０となる。
通常運転時、空気圧縮機１０１から経路Ｌ１０１に供給される原料空気量を１００とする。経路Ｌ１０９により、低圧塔１０６の底部から導出され、液化酸素ポンプ１１１に導入される低圧液化酸素の量は、２０とする。通常運転時、経路Ｌ１０１により高圧塔１０５の下部に導入されるガス状の原料空気量は、６０である。
一方、液化酸素との熱交換によって液化し、経路Ｌ１０２により高圧塔１０５の中間部に導入される液化原料空気量は、３０である。
また、経路Ｌ１０３により、低圧塔１０６の中間部に導入されるガス状の原料空気は、１０となる。
一方、回転機械停止時、物質集収支により、低圧塔１０６から経路Ｌ１１４により低圧酸素ガスが導出され、主熱交換器４に導出され得る。
この場合、経路１０９を流れる液化酸素を気化する必要はないので、通常運転時に経路Ｌ１０２により高圧塔１０５の中間部に導入されていた液化原料空気は、空気昇圧機１１２で昇圧される必要が無く、経路Ｌ１０１から、ガス状態で高圧塔１０５に導入されることになる。従って、高圧塔下部から導入される原料空気量は、９０となる。つまり、高圧塔１０５における上昇ガス量(原料空気)は、最大９０となる。
この場合、経路１０９を流れる液化酸素を気化する必要はないので、通常運転時に経路Ｌ１０２により高圧塔１０５の中間部に導入されていた液化原料空気は、空気昇圧機１１２で昇圧される必要が無く、経路Ｌ１０１から、ガス状態で高圧塔１０５に導入されることになる。従って、高圧塔下部から導入される原料空気量は、９０となる。つまり、高圧塔１０５における上昇ガス量(原料空気)は、最大９０となる。
従って、従来の空気分離装置６０において、高圧塔１０５を計画する場合、最大上昇ガス量は、９０として設計する必要がある。一般的に、蒸留塔は計画に対して、６０％負荷運転（４０％減量運転）が可能である。従って、従来の空気分離装置６０の高圧塔１０５の運転可能範囲は、原料空気量としては９０（設計点）～５４（＝９０×６０％）となる。よって、通常運転時、高圧塔１０５の設計点に対して、６７％（＝６０／９０）負荷運転（３３％減量運転）となる。
（本実施形態の空気分離装置５０）
通常運転時、回転機械停止時において、高圧塔５に導入される原料空気の状態を説明する。通常運転時においては、高圧塔５に導入される原料空気の状態は、従来の空気分離装置６０と同じである。
通常運転時、回転機械停止時において、高圧塔５に導入される原料空気の状態を説明する。通常運転時においては、高圧塔５に導入される原料空気の状態は、従来の空気分離装置６０と同じである。
一方、回転機械停止時、経路Ｌ９に導入される低圧の液化酸素は無いが、経路Ｌ１０から気液分離器８に導入される液化酸素量は、２０となる。一方、経路Ｌ１Ａに導入された原料空気の内、流量３０分の原料空気が経路４Ａに分岐し、気液分離器８内の第２凝縮器９に導入され、前述の低圧液化酸素との熱交換によって液化し、経路Ｌ４Ｂ、経路Ｌ２Ａによって、高圧塔５に導入される。
従って、本実施形態の空気分離装置５０では、ガスとして高圧塔５に導入される原料空気最大量は、通常運転時、回転機械停止時を問わず、６０であり、液として高圧塔５に導入される原料空気最大量は、通常運転時、回転機械停止時を問わず、３０である。従って、その場合の高圧塔５の運転可能範囲は、原料空気量は６０（設計点）～３６（６０×６０％）となる。
すなわち、従来の空気分離装置６０と本実施形態の空気分離装置５０とにおいて、高圧塔を比較すると、処理すべき最大原料空気量の差により、本実施形態における高圧塔５の方が小型となる（６０＜９０）。また、原料空気流量の減量運転の下限界は、本実施形態における高圧塔５の方が少なくなる（３６＜５４）。
また、一般的に、各種の装置は、設計点で運転する場合最も効率が良い傾向がある。本実施形態の空気分離装置５０における高圧塔５は、基本的に設計点で運転することになり、蒸留塔としてのより高い効率が期待できる。一方、従来の空気分離装置６０における高圧塔１０５は、常に設計点に対して６７％運転（６０／９０）となり、蒸留塔として最高の効率が期待し難い。
このように、本実施形態の空気分離装置５０、及びこれを用いる酸素ガスの製造方法では、回転機械停止時において低圧塔６から低圧酸素ガスを抜き出すことなく製品酸素ガスを供給できるため、流体の供給バランスを損なうことがない。
表１に示すように、本実施形態の空気分離装置５０、及びこれを用いる酸素ガスの製造方法によれば、非常運転時において低圧塔６から低圧酸素ガスを抜き出すことなく製品酸素ガスを供給でき、流体の供給バランスを損なわない。
以上説明したように、本実施形態の空気分離装置５０及びこれを用いる酸素ガス製造方法によれば、低圧塔６から抜き出した低圧液化酸素の一部と、原料空気の一部とを間接的に熱交換し、原料空気を液化して原料液化空気を生成し、低圧液化酸素を気化して低圧酸素ガスを生成する第２凝縮器９と、第２凝縮器９を収容し、第２凝縮器９によって気化した低圧酸素ガスと気化しなかった低圧液化酸素とを、気相と液相とに分離する気液分離器８と、を備える構成であるため、空気昇圧機１２及び液化酸素ポンプ１１のいずれかが停止した場合でも連続運転が可能であり、製品酸素ガスを供給可能である。
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。上述した実施形態の空気分離装置５０では、高圧塔５、及び低圧塔６のみを精留塔として備える構成を一例として説明したが、これに限定されない。例えば、精留塔として、高圧塔５、及び低圧塔６以外に、アルゴン塔を設けて、アルゴンを採取する構成であってもよい。
また、上述した実施形態の空気分離装置５０では、経路Ｌ４が第２凝縮器９の二次側において経路Ｌ２と合流する構成を一例として説明したが、これに限定されない。経路Ｌ４は、経路Ｌ２と合流せずに、高圧塔５の中間部と接続されている構成であってもよい。
また、上述した実施形態の空気分離装置５０では、経路Ｌ１０が低圧塔６の下部と気液分離器８との間に位置する構成を一例として説明したが、これに限定されない。経路Ｌ１０は、経路Ｌ９から分岐する構成であってもよい。
また、上述した実施形態の空気分離装置５０では、主熱交換器４に、経路Ｌ２を流れる昇圧原料空気、経路Ｌ９、経路Ｌ１１を流れる酸素を導入する構成を一例として説明したが、これに限定されない。経路Ｌ２を流れる昇圧原料空気と、経路Ｌ９又は経路Ｌ１１を流れる酸素との熱交換を行なう熱交換器を、主熱交換器から分岐する構成としても良い。
本発明の空気分離装置は、空気から窒素、及び酸素を分離、回収する装置であり、蒸留技術、気液分離技術などの分野において、産業上利用が可能である。
５０，６０・・・空気分離装置
１・・・空気圧縮機
２・・・空気予冷器
３・・・空気精製器
４・・・主熱交換器
５・・・高圧塔
６・・・低圧塔
７・・・第１凝縮器
８・・・気液分離器
９・・・第２凝縮器
１０・・・過冷器
１１・・・液化酸素ポンプ
１２・・・空気昇圧機
１３・・・空気予冷器（空気昇圧機アフタークーラ）
１４・・・膨張タービン
Ｌ１～Ｌ１３・・・経路
Ｖ１～Ｖ４・・・バルブ
ＣＬ・・・コールドボックス
１・・・空気圧縮機
２・・・空気予冷器
３・・・空気精製器
４・・・主熱交換器
５・・・高圧塔
６・・・低圧塔
７・・・第１凝縮器
８・・・気液分離器
９・・・第２凝縮器
１０・・・過冷器
１１・・・液化酸素ポンプ
１２・・・空気昇圧機
１３・・・空気予冷器（空気昇圧機アフタークーラ）
１４・・・膨張タービン
Ｌ１～Ｌ１３・・・経路
Ｖ１～Ｖ４・・・バルブ
ＣＬ・・・コールドボックス
Claims (3)
- 原料空気を低温で蒸留し、少なくとも高圧窒素ガスと高圧酸素富化液化空気とに分離する高圧塔と、
少なくとも前記高圧酸素富化液化空気を低温で蒸留し、低圧窒素ガスと低圧液化酸素とに分離する低圧塔と、
前記高圧窒素ガスと前記低圧液化酸素とを間接的に熱交換し、前記高圧窒素ガスを液化して高圧液化窒素を生成し、前記低圧液化酸素を気化して低圧酸素ガスを生成する第１凝縮器と、
前記原料空気の一部をさらに昇圧する空気昇圧機と、
前記低圧塔から抜き出した前記低圧液化酸素の一部を昇圧する液化酸素ポンプと、
前記空気昇圧機で昇圧された昇圧原料空気と、前記液化酸素ポンプによって昇圧された高圧液化酸素とを間接的に熱交換し、前記昇圧原料空気を液化して昇圧液化原料空気を生成し、前記高圧液化酸素を気化して高圧酸素ガスを生成する主熱交換器と、
前記低圧塔から抜き出した前記低圧液化酸素の一部と、前記原料空気の一部とを間接的に熱交換し、前記原料空気を液化して原料液化空気を生成し、前記低圧液化酸素を気化して低圧酸素ガスを生成する第２凝縮器と、前記第２凝縮器を収容する気液分離器とを備え、
前記低圧塔から前記低圧液化酸素の一部を抜き出す経路として、前記空気昇圧機及び前記液化酸素ポンプが共に稼動しているときに、前記気液分離器を介することなく、前記低圧液化酸素の一部を前記液化酸素ポンプによって加圧した後に回収する経路と、前記空気昇圧機及び前記液化酸素ポンプの少なくとも一方が停止しているときに、前記低圧液化酸素の一部を前記気液分離器に導入した後に回収する経路とが、別々に設けられている、空気分離装置。 - 前記第１凝縮器が、流下液膜式の凝縮器である、請求項１に記載の空気分離装置。
- 請求項１又は２に記載の空気分離装置を用いて、酸素ガスを製造する方法であって、
前記空気昇圧機及び前記液化酸素ポンプの少なくとも一方が停止している場合、前記低圧塔から抜き出した前記低圧液化酸素を前記第２凝縮器で気化させ、低圧酸素ガスとして供給する、酸素ガス製造方法。
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2020
- 2020-03-31 JP JP2020062733A patent/JP7458226B2/ja active Active
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