JP7491716B2 - 空気液化分離装置 - Google Patents

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Description

本発明は、空気液化分離装置に関する。
高圧塔、低圧塔、及びアルゴン塔等の精留塔より構成され、空気を低温蒸留により分離する空気液化分離装置（以後、単に空気液化分離装置という）では、いずれかの精留塔を鉛直方向において上下に分割する技術が知られている。
例えば、特許文献１の図３には、低圧塔とアルゴン塔とをそれぞれ分割し、各精留塔の塔頂部の位置レベル（鉛直方向の高さ）を揃えることでコールドボックスをコンパクトにする技術が開示されている。また、特許文献２には、低圧塔を第１低圧塔と第２低圧塔とに分割し、輸送制限を受けにくくする技術が開示されている。
ところで、空気液化分離装置では高圧塔から低圧塔への液化ガスの移送に両塔の圧力差を利用しているため、低圧塔と高圧塔との液ヘッド差次第で低圧塔の高さが制限を受ける場合がある。しかしながら、特許文献２に開示された技術によれば、第２低圧塔を主凝縮器の上部に設けて第１低圧塔と並設し、第１低圧塔の位置レベルを下げることにより、この制限を緩和できる。
また、特許文献２によれば、負荷変動や外乱などにより精留塔内の流量バランスが一時的に乱れた場合、アルゴン塔の塔底部に液化ガスが溜められているため、流量バランスの乱れの影響を抑制できる。
さらに、特許文献２によれば、アルゴン塔をグランドレベルに配置できるため、アルゴン凝縮器の位置レベルを下げてコールドボックスの高さを低くできる。
また、特許文献３には、低圧塔とアルゴン塔とをそれぞれ２分割し、特許文献２と同様の効果が得られること、及びアルゴン凝縮器の位置レベルを更に低くできることが開示されている。
米国特許第６２７２８８３号明細書 特開２００４－２５１５６９号公報 特許第６２５７６５６号公報
しかしながら、特許文献１に記載の空気液化分離装置では、低圧塔とアルゴン塔とがそれぞれ分割されており、液化ガスポンプがそれぞれに必要となるため、装置全体のコストが増加する。
また、特許文献２に記載の空気液化分離装置では、要求される製品仕様の制約によりアルゴン塔の鉛直方向の高さが必要となる場合、アルゴン凝縮器の設置位置が高くなり、高圧塔の塔底部から圧力差により移送する酸素富化液化空気を供給できなくなる。また、酸素富化液化空気を移送する経路に少量の空気または酸素富化空気（アシストガス）を供給して揚液を補助する方法も考えられるが、製品回収率の低下を伴う。
特許文献３に記載の空気液化分離装置では、低圧塔を分割することによりアルゴン塔をグランドレベルに配置でき、且つアルゴン塔を分割することによりアルゴン凝縮器の設置位置を低くできるが、低圧塔を分割することにより必要となる液化酸素ポンプに加えて、別途液化アルゴンポンプが必要となるため、装置全体のコストが増加する。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、アルゴン塔が鉛直方向に高くなった場合でも、アルゴン塔を分割することなく、アルゴン凝縮器に液化ガスを供給する経路に液化ガスポンプの追加やアシストガスの供給が不要、又はアシストガス流量を従来よりも低減する空気液化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有する。
［１］ 原料空気の低温蒸留によって、少なくとも酸素とアルゴンに分離する空気液化分離装置であって、
前記空気液化分離装置は少なくとも高圧塔、低圧塔、アルゴン塔及び第２凝縮器から構成され、
前記低圧塔が少なくとも第１低圧塔と第２低圧塔とに分割され、
前記第２凝縮器が、前記アルゴン塔の頂部よりも鉛直方向の上方に位置し、
前記高圧塔の底部が、前記アルゴン塔の底部よりも鉛直方向の上方に位置する、空気液化分離装置。
［２］ 前記高圧塔の底部が、前記第１低圧塔の頂部よりも鉛直方向において上方に位置する、前項［１］に記載の空気液化分離装置。
［３］ 前記アルゴン塔の底部と前記第１低圧塔の下部との間に位置する第２経路と、
前記第１低圧塔の底部と前記第２低圧塔の上部との間に位置する第３経路と、
前記第３経路に位置する液化酸素ポンプと、をさらに備える、前項［１］又は［２］に記載の空気液化分離装置。
［４］ 前記第１低圧塔の底部と前記アルゴン塔の下部との間に位置する第４経路と、
前記アルゴン塔の底部と前記第２低圧塔の上部との間に位置する第５経路と、
前記第５経路に位置する液化酸素ポンプと、をさらに備える、前項［１］又は［２］に記載の空気液化分離装置。
［５］ 前記第１低圧塔の底部と前記第２低圧塔の上部との間に位置する第３経路と、
前記第３経路に位置する液化酸素ポンプと、前記第３経路の前記液化酸素ポンプと前記第１低圧塔の底部との間に位置する点と前記アルゴン塔の底部との間に位置する第６経路と、をさらに備える、前項［１］又は［２］に記載の空気液化分離装置。
［６］ 前記第２低圧塔の頂部と前記第１低圧塔の下部との間に位置する第７経路と、
前記第１低圧塔の下部と前記アルゴン塔の下部との間に位置する第８経路と、をさらに備える、前項［１］乃至［５］のいずれかに記載の空気液化分離装置。
［７］ 前記第２低圧塔の頂部と前記アルゴン塔の下部との間に位置する第９経路と、
前記アルゴン塔の下部と前記第１低圧塔の下部との間に位置する第１０経路と、をさらに備える、前項［１］乃至［５］のいずれかに記載の空気液化分離装置。
［８］ 前記第２低圧塔の頂部と前記第１低圧塔の下部との間に位置する第７経路と、
前記第７経路の分岐点と前記アルゴン塔の下部との間に位置する第１１経路と、をさらに備える、前項［１］乃至［５］のいずれかに記載の空気液化分離装置。
［９］ 前記アルゴン塔が、塔内に複数の規則充填物が積層された充填塔である、前項［１］乃至［８］のいずれかに記載の空気液化分離装置。
本発明の空気液化分離装置は、アルゴン塔が鉛直方向に高くなった場合でも、アルゴン塔を分割することなく、アルゴン塔頂に設置するアルゴン凝縮器（第２凝縮器）に液化ガスを供給する経路に液化ガスポンプの追加が不要、又はアシストガス流量を従来よりも低減させることが可能となる。
本発明の第１実施形態の空気液化分離装置の構成を示す系統図である。 本発明の第２実施形態の空気液化分離装置の構成を示す系統図である。
以下、本発明を適用した一実施形態である空気液化分離装置の構成について、それを用いた空気分離方法と併せて、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。
また、経路を流れる流体は、１成分からなる気体（ガス）、２成分以上からなる混合気体（ガス）、１成分からなる液体、２成分以上からなる混合液体、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。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態の空気液化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、第１実施形態の空気液化分離装置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、第１低圧塔６Ａ、第２低圧塔６Ｂ、アルゴン塔７、第１凝縮器８、第２凝縮器９、第２凝縮器の凝縮側９Ａ、第２凝縮器の蒸発側９Ｂ、過冷器１０、液化酸素ポンプ１１、膨張タービン１２、経路Ｌ１～Ｌ１８，Ｌ２３～Ｌ２５、及びバルブＶ１～Ｖ５、を備える。
本実施形態の空気液化分離装置５０は、低圧塔が鉛直方向上下に二分割されており、第１低圧塔６Ａと第２低圧塔６Ｂとを有する。第１低圧塔６Ａと第２低圧塔６Ｂとは、低圧液化ガスが流れる経路Ｌ１３と低圧ガスが流れる経路Ｌ１４とにより接続されている。
空気圧縮機１によって所定の圧力まで圧縮された原料空気は、空気予冷器２に供給される。
圧縮された原料空気は、空気予冷器２において圧縮熱が取り除かれ、空気精製器３に供給される。
空気精製器３に導入された、原料空気は、原料空気中に含まれる不純物（水、二酸化炭素等）が除去される。空気精製器３には、不純物を吸着除去するための吸着剤等が充填されている。
空気精製器３によって不純物が除去された原料空気は、経路Ｌ１によって主熱交換器４に供給される。
主熱交換器４では、経路Ｌ１を流れる原料空気と、後述する様に、経路Ｌ８，Ｌ１５、Ｌ２５を流れる低圧窒素ガス、酸素ガス、廃窒素ガスと、が間接的に熱交換することで、原料空気が冷却され、低圧窒素ガス、酸素ガス、廃窒素ガスが加温される。
経路Ｌ１によって主熱交換器４に導入された原料空気の一部は、主熱交換器４の中間で経路Ｌ１７によって導出され、膨張タービン１２に導入される。
膨張タービン１２に導入された原料空気は、膨張タービン１２において断熱膨張し、空気液化分離装置５０の運転に必要な寒冷を発生させる。膨張タービン１２によって断熱膨張した原料空気は、経路Ｌ１７を介して、第１低圧塔６Ａの中間部に供給される。
高圧塔５は、第１低圧塔６Ａの上方、第２低圧塔６Ｂ及び第１凝縮器８の下方に位置する。
高圧塔５は、経路Ｌ１から供給される原料空気を低温で蒸留して、窒素ガスと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の上部には窒素ガスが濃縮され、高圧塔５の下部には酸素富化液化空気が濃縮される。
高圧塔５の上部の窒素ガスは経路Ｌ２から抜き出され、第２低圧塔６Ｂの塔底部に設置された第１凝縮器８に導入される。第１凝縮器８に導入された窒素ガスは、後述する第２低圧塔６Ｂの塔底部の液体酸素との熱交換によって液化され、液化窒素となる。液化窒素の一部は経路Ｌ３に導入し、残部が経路Ｌ２から高圧塔５上部に導入され、高圧塔５内の下降液となる。
第２低圧塔６Ｂの底部に貯留されている液化酸素は、第１凝縮器８において、経路Ｌ２から供給される窒素ガスとの熱交換によって、気化して酸素ガスを生成する。
経路Ｌ３に分岐した液化窒素は、過冷器１０で冷却され、バルブＶ１によって減圧され、第１低圧塔６Ａに供給される。
経路Ｌ３の液化窒素の一部は、経路Ｌ４に分岐され、製品液化窒素（ＬＮ２）として回収される。
高圧塔５の底部（塔底部）に分離された酸素富化液化空気は、Ｌ５（第１経路）に導出され、過冷器１０に導入され、経路Ｌ８に導出される低圧窒素ガス、経路Ｌ２５に導出される廃窒素ガスによって冷却され、バルブＶ２で減圧され、第２凝縮器の蒸発側９Ｂに供給され、貯留される。
ところで、本実施形態の空気液化分離装置５０では、高圧塔５の底部が、鉛直方向においてアルゴン塔７の底部よりも上方に位置しており、且つ第１低圧塔６Ａの頂部よりも上方に位置している。具体的には、図１に示すように、高圧塔５の底部が、鉛直方向においてアルゴン塔７の頂部寄りに位置するように（換言すると、高さ方向の距離が近接するように）、高圧塔５とアルゴン塔７とが配置されている。これにより、アルゴン塔が鉛直方向に高くなった場合でも、アルゴン塔７を分割することなく、且つ高圧塔５と第２凝縮器の蒸発側９Ｂとの間に位置する経路Ｌ５に、液化ガスポンプの追加や、アシストガスの供給をすることなく、または、アシストガスの供給量を削減して高圧塔５の底部から第２凝縮器の蒸発側９Ｂに酸素富化液化空気を供給できる。
経路Ｌ５によって導出され、過冷器１０で冷却された酸素富化液化空気の一部は、経路Ｌ１８で分岐され、バルブＶ５で減圧された後に第１低圧塔６Ａに供給される。なお、第１経路は高圧塔の底部から数段上（例えば理論段で１０段以内、好ましくは５段以内）に接続される場合もあり、併せて高圧塔塔底部からも酸素富化液化空気を抜き出し、Ｌ１８からバルブＶ５で第１低圧塔６Ａに供給される場合もある。
第２凝縮器９は、アルゴン塔７の塔頂部に位置する。すなわち、第２凝縮器９は、アルゴン塔７よりも上方に設置されている。第２凝縮器９は凝縮側９Ａと蒸発側９Ｂにより構成され、凝縮側９Ａは、蒸発側９Ｂの内側に収容されている。
アルゴン塔７の塔頂部から経路Ｌ１０で抜き出されたアルゴンガスは、第２凝縮器の凝縮側９Ａに導入される。アルゴンガスは、Ｌ５（第１経路）によって第２凝縮器の蒸発側９Ｂに導入された酸素富化液化空気との間接熱交換によって液化され液化アルゴンとして経路Ｌ１０によってアルゴン塔７の塔頂部に導入される。一方、第２凝縮器の蒸発側９Ｂに貯留された酸素富化液化空気は、アルゴンガスとの間接熱交換によって気化し、酸素富化空気となる。
酸素富化空気は経路Ｌ６から抜き出されて、バルブＶ３を経由し、第１低圧塔６Ａの中間部に供給される。
第２凝縮器の蒸発側９Ｂに貯液された酸素富化液化空気の一部は経路Ｌ７に抜き出され、バルブＶ４を通して第１低圧塔６Ａに供給される。
第１低圧塔６Ａは、高圧塔５の下方に位置する。すなわち、第１低圧塔６Ａの頂部は、高圧塔５の底部よりも鉛直方向において下方に位置する。
第１低圧塔６Ａ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Ｌ１４から供給される流体と、経路Ｌ１７から供給される流体と、経路Ｌ１８から供給される流体を低温で蒸留して、低圧窒素ガスとアルゴン富化酸素ガスとアルゴン富化液化酸素と廃窒素ガスとに分離する。この低温での蒸留により、第１低圧塔６Ａの上部には低圧窒素ガスが濃縮され、第１低圧塔６Ａの下部にはアルゴン富化酸素ガスが濃縮され、第１低圧塔６Ａの底部（塔底部）にはアルゴン富化液化酸素が濃縮される。
低圧窒素ガスは、第１低圧塔６Ａの頂部（塔頂部）から経路Ｌ８によって抜き出され、過冷器１０及び主熱交換器４によって熱回収された後、製品窒素ガス（ＧＮ２）として回収される。廃窒素ガスは、第１低圧塔６Ａの中間部から経路Ｌ２５によって抜き出され、過冷器１０及び主熱交換器４によって熱回収された後、廃窒素ガス（ＧＷＮ２）として回収される。
第１低圧塔６Ａの下部に濃縮するアルゴン富化酸素ガスは、経路Ｌ９（第８経路）から抜き出されて、アルゴン塔７の下部に供給される。
第１低圧塔６Ａの底部のアルゴン富化液化酸素は、経路Ｌ１３から抜き出され、液化酸素ポンプ１１によって加圧され、第２低圧塔６Ｂの上部に供給される。
アルゴン塔７は、経路Ｌ９を介して供給されるアルゴン富化酸素ガスを低温で蒸留して、アルゴンガスとアルゴン富化液化酸素とに分離する。この低温での蒸留により、アルゴン塔７の上部には、アルゴンガスが濃縮され、アルゴン塔７の下部にはアルゴン富化液化酸素が濃縮される。
本実施形態の空気液化分離装置５０では、アルゴン塔７は、塔内に複数の規則充填物が積層された充填塔（精留塔）であることが好ましい。
本実施形態の空気液化分離装置５０では、アルゴン塔７が分割されていないことが好ましい。これにより、追加の液化ガスポンプの設置が不要となり、設置コスト低減に有利である。
本実施形態の空気液化分離装置５０では、アルゴン塔７の底部がグランドレベルに配置されることが好ましい。これにより、アルゴン塔７の頂部に位置する第２凝縮器９の鉛直方向の高さを下げてコールドボックスの高さを低くできる。
経路Ｌ１０の液化アルゴンの一部は経路Ｌ１１に分岐して、製品液化アルゴン（ＬＡＲ）として回収される。
アルゴン塔７の下部に貯留されるアルゴン富化液化酸素は、経路Ｌ１２（第２経路）から抜き出され、第１低圧塔６Ａの下部に供給される。
本実施形態の空気液化分離装置５０では、第１低圧塔６Ａの底部は、鉛直方向においてアルゴン塔７の底部寄りに位置する。すなわち、第１低圧塔６Ａの底部とアルゴン塔７の底部とは、鉛直方向においてほぼ同じ高さである（厳密にはアルゴン塔７の底部から第１低圧塔６Ａの底部に液化ガス流体が流れるようにアルゴン塔７の底部のほうがやや上方に位置する）。これにより、アルゴン塔７の底部から第１低圧塔６Ａの下部にアルゴン富化液化酸素を供給する際、経路Ｌ１２に液化酸素ポンプの設置が不要となる。
また、図１中に破線で示すように、経路Ｌ１２の代わりに、経路Ｌ２３（第６経路）がアルゴン塔７と経路Ｌ１３との間に位置する場合もある。経路Ｌ２３の一端は、アルゴン塔７の底部（塔底部）と接続されている。アルゴン塔７の下部に貯留されるアルゴン富化液化酸素が経路Ｌ２３によって抜き出され、経路Ｌ１３を流れる流体と合流して液化酸素ポンプ１１に供給される。この場合においても、第１低圧塔６Ａの底部とアルゴン塔７の底部とを、鉛直方向においてほぼ同じ高さとすることができ、アルゴン塔７の下部に貯留されるアルゴン富化液化酸素と第１低圧塔６Ａの下部に貯留されるアルゴン富化液化酸素の両方を、液化酸素ポンプ１１で揚液して第２低圧塔６Ｂの上部に供給することができる。
第２低圧塔６Ｂは、高圧塔５の上方に位置する。
第２低圧塔６Ｂは、経路Ｌ１３から供給される流体を低温で蒸留して、アルゴン富化酸素ガスと酸素ガスと液化酸素とに分離する。この低温での蒸留により、第２低圧塔６Ｂの上部にはアルゴン富化酸素ガスが濃縮され、第２低圧塔６Ｂの下部には酸素ガスが濃縮され、第２低圧塔６Ｂの底部（塔底部）には液化酸素が濃縮される。
第２低圧塔６Ｂの頂部のアルゴン富化酸素ガスは、経路Ｌ１４（第７経路）から抜き出され、第１低圧塔６Ａの下部に供給される。
また、図中に破線で示すように、経路Ｌ１４を流れるアルゴン富化酸素ガスの一部を経路Ｌ２４（第１１経路）に分岐して、アルゴン塔７の下部に供給する事ができる。
第２低圧塔６Ｂの下部に濃縮された酸素ガスは経路Ｌ１５から抜き出され、主熱交換器４によって熱回収された後、製品酸素ガス（ＧＯ２）として回収される。
第２低圧塔６Ｂの底部（塔底部）に濃縮された液化酸素は、経路Ｌ１６から抜き出され製品液化酸素（ＬＯ２）として回収される。
過冷器１０は、経路Ｌ３，Ｌ５，Ｌ８，Ｌ２５に亘るように配置されている。過冷器１０には、経路Ｌ３，Ｌ５，Ｌ８，Ｌ２５がそれぞれ通過する。過冷器１０では、経路Ｌ８、Ｌ２５を流れる低温流体と、経路Ｌ３，Ｌ５を流れる高温流体と、が間接的に熱交換することで、低温流体が加温され、各高温流体が冷却される。なお、過冷器１０における低温流体と高温流体との組み合わせは、これらに限定されない。
第２低圧塔６Ｂ及び高圧塔５は、図１に示すように、第１低圧塔６Ａの上方に配置されている。これにより、本実施形態の空気液化分離装置５０は、設置面積（フットプリント）を小さくできる。
また、本実施形態の空気液化分離装置５０は、低圧塔が鉛直方向において第１低圧塔６Ａと第２低圧塔６Ｂとに二分割されており、第１低圧塔６Ａが高圧塔５の下方に位置するため、高圧塔５から第１低圧塔６Ａへの液化ガス流体の供給に際して、低圧塔と高圧塔との液ヘッド差による低圧塔の高さ制限を受けない。
以下、本実施形態の空気液化分離装置５０の運転方法、すなわち、空気分離方法の一例について、図１を参照しながら詳細に説明する。
圧縮、予冷、精製、及び冷却された原料空気は、高圧塔５に供給される。
高圧塔５では、前記原料空気が低温蒸留により窒素ガスと酸素富化液化空気とに分離される。
前記原料空気の一部は、膨張タービン１２で断熱膨張し、装置の運転に必要な寒冷を発生させた後に第１低圧塔６Ａに供給される。
高圧塔５から導出された酸素富化液化空気は、減圧後に第２凝縮器の蒸発側９Ｂに供給される。
前記酸素富化液化空気の一部は、減圧後に第１低圧塔６Ａに供給される。
第２凝縮器９では、蒸発側９Ｂに供給された前記酸素富化液化空気と凝縮側９Ａに供給された後述するアルゴンガスとの間接熱交換により、酸素富化液化空気が気化し、アルゴンガスが液化して液化アルゴンが生成される。
第２凝縮器９で気化した酸素富化液化空気と気化しなかった酸素富化液化空気の一部は、それぞれ第１低圧塔６Ａに供給される。
第２凝縮器９で生成された液化アルゴンの一部は、製品液化アルゴンとして回収される。
高圧塔５の上部から導出された窒素ガスは第１凝縮器８に供給される。第１凝縮器８では、前記窒素ガスと後述する液化酸素との間接熱交換により、窒素ガスが液化し、液化酸素が気化する。
第１凝縮器８で生成された液化窒素の一部は過冷器１０で冷却され、減圧され、第１低圧塔６Ａの上部に供給される。
過冷器１０で冷却された液化窒素の一部は製品液化窒素として回収される。
第１低圧塔６Ａでは、膨張タービン１２から供給された前記原料空気と、高圧塔５から供給された前記酸素富化空気と、第２凝縮器の蒸発側９Ｂから供給された前記酸素富化空気と、第２凝縮器の蒸発側９Ｂから供給された前記低圧酸素富化液化空気と、高圧塔５から供給された前記液化窒素と、第２低圧塔６Ｂから供給されたアルゴン富化酸素ガスと、が低温蒸留により低圧窒素ガスとアルゴン富化液化酸素とアルゴン富化酸素ガスと廃窒素ガスとに分離される。
第１低圧塔６Ａの塔頂から導出された低圧窒素ガスは熱回収された後に製品窒素ガスとして回収される。第１低圧塔６Ａの中間部から導出された廃窒素ガスは熱回収された後に廃窒素ガスとして回収される。
第１低圧塔６Ａの下部から導出されたアルゴン富化酸素ガスは、アルゴン塔７に供給され、第１低圧塔６Ａの底部から導出されたアルゴン富化液化酸素は、液化酸素ポンプを経由して第２低圧塔６Ｂに供給される。
アルゴン塔７では、第１低圧塔６Ａから供給された前記アルゴン富化酸素ガスの低温蒸留によりアルゴンガスとアルゴン富化液化酸素とに分離される。
アルゴン塔７の底部から導出されたアルゴン富化液化酸素は第１低圧塔６Ａに供給され、アルゴン塔７の上部から導出されたアルゴンガスは第２凝縮器の凝縮側９Ａに供給される。
第２低圧塔６Ｂでは、第１低圧塔６Ａから供給された前記アルゴン富化液化酸素が低温蒸留によりアルゴン富化酸素ガスと液化酸素と酸素ガスとに分離される。
第２低圧塔６Ｂの頂部から導出されたアルゴン富化酸素ガスは第１低圧塔６Ａに供給され、第２低圧塔６Ｂの底部から導出された液化酸素は、製品液化酸素として回収され、第２低圧塔６Ｂの下部から導出された酸素ガスは、熱回収された後に製品酸素ガスとして回収される。
以上説明したように、本実施形態の空気液化分離装置５０によれば、高圧塔５の底部が鉛直方向においてアルゴン塔７の底部よりも上方に位置し、第２凝縮器９がアルゴン塔７の頂部に位置するように（換言すると、高さ方向の距離が近接するように）、高圧塔５と第２凝縮器９とが配置されている。これにより、高圧塔５と第２凝縮器の蒸発側９Ｂとの間に位置する経路Ｌ５に、液化ガスポンプの追加や、アシストガスの供給をすることなく又は、従来よりも少ないアシストガス流量によって、高圧塔５の底部から第２凝縮器の蒸発側９Ｂに酸素富化液化空気を供給できる。
すなわち、本実施形態の空気液化分離装置５０によれば、アルゴン塔が鉛直方向に高くなった場合でも、アルゴン塔７を分割することなく、第２凝縮器の蒸発側９Ｂに液化ガスを供給する経路Ｌ５に液化ガスポンプの追加やアシストガスの供給が不要になり、又は従来よりも少ないアシストガス流量で 経路Ｌ５内の液化ガスを第２凝縮器９に供給が可能となる。
また、本実施形態の空気液化分離装置５０によれば、低圧塔が鉛直方向において第１低圧塔６Ａと第２低圧塔６Ｂとに二分割されており、第２低圧塔６Ｂのみが高圧塔５の上方に位置しているため、低圧塔と高圧塔との液ヘッド差による低圧塔の高さ制限を受けない。
すなわち、本実施形態の空気液化分離装置５０によれば、低圧塔が鉛直方向に高くなった場合でも、第１低圧塔６Ａの上部に液化ガスを供給する経路Ｌ３や第１低圧塔６Ａの中間部に液化ガスを供給する経路Ｌ１８に液化ガスポンプの追加やアシストガスの供給が不要になり、又は従来よりも少ないアシストガス流量で高圧塔５から導出された液化ガスを第１低圧塔６Ａに供給が可能となる。
また、本実施形態の空気液化分離装置５０によれば、低圧塔が鉛直方向において第１低圧塔６Ａと第２低圧塔６Ｂとに二分割されており、第２低圧塔６Ｂのみが高圧塔５の上方に位置しているため、高圧塔５を上方に配置した場合においても、コールドボックスが鉛直方向に高くなるのを抑制できる。
また、本実施形態の空気液化分離装置５０によれば、高圧塔５の底部が第１低圧塔６Ａの頂部よりも鉛直方向において上方に位置しており、高圧塔５と第２低圧塔６Ｂが第１低圧塔６Ａの上方に配置されているため、設置面積（フットプリント）を小さくできる。
また、本実施形態の空気液化分離装置５０によれば、第１低圧塔６Ａの底部は、鉛直方向においてアルゴン塔７の底部寄りに位置する。すなわち、第１低圧塔６Ａの底部とアルゴン塔７の底部とが、鉛直方向においてほぼ同じ高さとなっている。これにより、アルゴン塔７の底部から第１低圧塔６Ａの下部にアルゴン富化液化酸素を供給する際、経路Ｌ１２に液化酸素ポンプの設置が不要となる。
＜第２の実施形態＞
図２は、本発明の第２実施形態の空気液化分離装置の構成の一例を示す系統図である。図２において、図１に示す第１実施形態の空気液化分離装置５０を同一構成部分には、同一符号を付し、その説明を省略する。
本実施形態の空気液化分離装置６０は、低圧塔が鉛直方向上下に二分割されており、第１低圧塔６Ａと第２低圧塔６Ｂとを有する。第１低圧塔６Ａと第２低圧塔６Ｂとは、液化ガスが流れる経路Ｌ１９、アルゴン塔７の下部、経路Ｌ２１と、ガスが流れる経路Ｌ２２、経路Ｌ２０とにより接続されている。
上述した第１実施形態の空気液化分離装置５０では、第２低圧塔６Ｂから第１低圧塔６Ａへ上昇ガスを供給し、その一部をアルゴン塔７へ供給するのに対して、第２実施形態の空気液化分離装置６０では第２低圧塔６Ｂからアルゴン塔７へ上昇ガスを供給し、その一部を第１低圧塔６Ａへ供給する点が異なる。
また、上述した第１実施形態の空気液化分離装置５０では、アルゴン塔７を下降して下部に貯留された液化ガスを第１低圧塔６Ａの下部へ供給し、第１低圧塔６Ａを下降してきた液化ガスと併せて第２低圧塔６Ｂへ供給するのに対して、第２実施形態の空気液化分離装置６０では第１低圧塔６Ａを下降して下部に貯留された液化ガスをアルゴン塔７の下部へ供給し、アルゴン塔７を下降してきた液化ガスと併せて第２低圧塔６Ｂへ供給する点が異なる。
すなわち、本実施形態の空気液化分離装置６０は、経路Ｌ９，Ｌ１２～Ｌ１４に換えて、新たに経路Ｌ１９～Ｌ２２を備える変更点以外は、上述した第１実施形態の空気液化分離装置５０と同様に構成される。
以下、変更点に係る構成について、詳細に説明する。
第１低圧塔６Ａ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Ｌ１７から供給される流体と、経路Ｌ１８から供給される流体と、経路Ｌ２０から供給される流体と、を含む混合流体を低温で蒸留して、低圧窒素ガスとアルゴン富化液化酸素と廃窒素ガスとに分離する。この低温での蒸留により、第１低圧塔６Ａの上部には低圧窒素ガスが濃縮され、第１低圧塔６Ａの底部（塔底部）にはアルゴン富化液化酸素が濃縮される。
第１低圧塔６Ａの底部に貯留されるアルゴン富化液化酸素は、経路Ｌ１９により、アルゴン塔７の下部に供給される。
本実施形態の空気液化分離装置６０では、第１低圧塔６Ａの底部は、鉛直方向においてアルゴン塔７の底部寄りに位置する。すなわち、第１低圧塔６Ａの底部とアルゴン塔７の底部とは、鉛直方向においてほぼ同じ高さである（厳密には第１低圧塔６Ａの底部からアルゴン塔７の底部に液ヘッド差を利用して液化ガス流体が流れるように第１低圧塔６Ａの底部のほうがやや上方に位置する）。これにより、第１低圧塔６Ａの底部からアルゴン塔７の下部にアルゴン富化液化酸素を供給する際、経路Ｌ１９に液化酸素ポンプの設置が不要となる。
アルゴン塔７の下部に濃縮するアルゴン富化酸素ガスは、第１低圧塔６Ａの下部に供給される。
アルゴン塔７は、経路Ｌ２２を介して供給される低圧アルゴン富化酸素ガスを低温で蒸留して、アルゴンガスとアルゴン富化酸素ガスとアルゴン富化液化酸素とに分離する。この低温での蒸留により、アルゴン塔７の上部には、アルゴンガスが濃縮され、アルゴン塔７の下部にはアルゴン富化酸素ガスが、アルゴン塔７の底部にはアルゴン富化液化酸素が、それぞれ濃縮される。
アルゴン塔７の底部に貯留されるアルゴン富化液化酸素は、液化酸素ポンプ１１によって第２低圧塔６Ｂの上部に供給される。
第２低圧塔６Ｂは、経路Ｌ２１から供給される流体を含む混合流体を低温で蒸留して、アルゴン富化酸素ガスと酸素ガスと液化酸素とに分離する。この低温での蒸留により、第２低圧塔６Ｂの頂部（塔頂部）にはアルゴン富化酸素ガスが濃縮され、第２低圧塔６Ｂの下部には酸素ガスが濃縮され、第２低圧塔６Ｂの底部（塔底部）には液化酸素が濃縮される。
第２低圧塔６Ｂの頂部に濃縮するアルゴン富化酸素ガスは、経路Ｌ２２によってアルゴン塔７に供給される。
以下、空気液化分離装置６０の運転方法、すなわち、空気分離方法の一例について、図２を参照しながら示す。
圧縮、予冷、精製、及び冷却された原料空気は、高圧塔５に供給される。
高圧塔５では、前記原料空気は、低温蒸留により窒素ガスと酸素富化液化空気とに分離される。
前記原料空気の一部は、膨張タービン１２で断熱膨張し、装置の運転に必要な寒冷を発生させた後に第１低圧塔６Ａに供給される。
高圧塔５から導出された酸素富化液化空気は、減圧後に第２凝縮器の蒸発側９Ｂに供給される。
前記酸素富化液化空気の一部は、減圧後に第１低圧塔６Ａに供給される。
第２凝縮器９では、蒸発側９Ｂに供給された前記酸素富化液化空気と凝縮側９Ａに供給された後述するアルゴンガスとの間接熱交換により、酸素富化液化空気が気化し、アルゴンガスが液化して液化アルゴンが生成される。
第２凝縮器９で気化した酸素富化空気と気化しなかった酸素富化液化空気の一部はそれぞれ第１低圧塔６Ａに供給される。
第２凝縮器９で生成された液化アルゴンの一部は製品液化アルゴンとして回収される。
高圧塔５の上部から導出された窒素ガスは第１凝縮器８に供給される。第１凝縮器８では、前記窒素ガスと後述する液化酸素との間接熱交換により、窒素ガスが液化して液化窒素が生成され、液化酸素が気化して酸素ガスが生成される。
第１凝縮器８で生成された液化窒素の一部は過冷器１０で冷却され、減圧された後に第１低圧塔６Ａの上部に供給される。
過冷器１０で冷却された前記液化窒素の一部は製品液化窒素として回収される。
第１低圧塔６Ａでは、膨張タービン１２から供給された前記原料空気と、高圧塔５から供給された前記酸素富化空気と、第２凝縮器の蒸発側９Ｂから供給された前記酸素富化空気と、高圧塔５から供給された前記液化窒素と、アルゴン塔７から供給されたアルゴン富化酸素ガスと、が低温蒸留により低圧窒素ガスとアルゴン富化液化酸素と廃窒素ガスとに分離される。
第１低圧塔６Ａの塔頂から導出された低圧窒素ガスは熱回収された後に製品窒素ガスとして回収される。第１低圧塔６Ａの中間部から導出された廃窒素ガスは熱回収された後に廃窒素ガスとして回収される。
第１低圧塔６Ａの底部から導出されたアルゴン富化液化酸素は、アルゴン塔７に供給される。
アルゴン塔７では、第２低圧塔６Ｂから供給されたアルゴン富化酸素ガスが低温蒸留によりアルゴンガスとアルゴン富化液化酸素とアルゴン富化酸素ガスとに分離される。
アルゴン塔７の下部から導出されたアルゴン富化酸素ガスは第１低圧塔６Ａに供給され、アルゴン塔７の底部から導出されたアルゴン富化液化酸素は液化酸素ポンプ１１を経由して第２低圧塔６Ｂに供給され、アルゴン塔７の上部から導出されたアルゴンガスは第２凝縮器の凝縮側９Ａに供給される。
第２低圧塔６Ｂでは、アルゴン塔７から供給されたアルゴン富化液化酸素が低温蒸留によりアルゴン富化酸素ガスと液化酸素と酸素ガスとに分離される。
第２低圧塔６Ｂの頂部から導出されたアルゴン富化酸素ガスはアルゴン塔７に供給され、第２低圧塔６Ｂの底部から導出された液化酸素は製品液化酸素として回収され、第２低圧塔６Ｂの下部から導出された酸素ガスは熱回収された後に製品酸素ガスとして回収される。
以上説明したように、本実施形態の空気液化分離装置６０によれば、上述した第１実施形態の空気液化分離装置５０と同様の効果が得られる。
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。上述した第１及び第２実施形態の空気液化分離装置５０，６０では、第２低圧塔６Ｂ、第１凝縮器８及び高圧塔５が一体化している形態を一例として説明したが、これに限定されない。例えば、高圧塔５の底部が鉛直方向においてアルゴン塔７の底部よりも上方に配置されていれば、第２低圧塔６Ｂ、第１凝縮器８及び高圧塔５が別々に（独立して）配置されていてもよい。
また、上述した第１及び第２実施形態の空気液化分離装置５０，６０では、低圧塔を鉛直方向に上下２分割としたが、３分割以上とすることもできる。この場合も、アルゴン塔に供給されるアルゴン富化酸素ガスが低圧塔から抜き出される位置よりも上部が第１低圧塔、下部が第２低圧塔となる。（ここで言う上部、下部は分割前の低圧塔での位置関係であり、分割後のレイアウトによるものではない。）
また、上述した第１及び第２実施形態の空気液化分離装置５０，６０では、第２凝縮器９とアルゴン塔７とが一体化し、第２凝縮器９がアルゴン塔７よりも上方に設置されてい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、第２凝縮器９とアルゴン塔７とが別々に（独立して）配置されていてもよい。
上述した実施形態において、アルゴン塔７の頂部の低圧アルゴンガスの一部、第２凝縮器の凝縮側９Ａで液化した低圧液化アルゴンの一部、及び第２凝縮器の凝縮側９Ａで液化しなかった低圧アルゴンガスのうち、少なくとも１つを製品アルゴンとして回収する構成としてもよい。
また、回収された製品アルゴンを更に蒸留し、アルゴン濃度を高めてもよい。
さらに、アルゴン塔７の頂部よりもやや低い位置（例えば、塔頂から１０理論段以内）から液化アルゴンの一部を抜き出して製品アルゴンとして回収する構成としてもよい。
本発明の空気液化分離装置および空気分離方法は、空気から窒素、酸素及びアルゴンを分離、回収する方法であり、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・・・空気液化分離装置
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
６Ａ・・・第１低圧塔
６Ｂ・・・第２低圧塔
７・・・アルゴン塔
８・・・第１凝縮器
９・・・第２凝縮器
９Ａ・・・第２凝縮器の凝縮側
９Ｂ・・・第２凝縮器の蒸発側
１０・・・過冷器
１１・・・液化酸素ポンプ
１２・・・膨張タービン
Ｌ１～Ｌ２５・・・経路
Ｖ１～Ｖ５・・・バルブ

Claims (9)

  1. 原料空気の低温蒸留によって、少なくとも酸素とアルゴンに分離する空気液化分離装置であって、
    前記空気液化分離装置は少なくとも高圧塔、低圧塔、アルゴン塔及び第２凝縮器から構成され、
    前記低圧塔が少なくとも第１低圧塔と第２低圧塔とに分割され、
    前記第２凝縮器が、前記アルゴン塔の頂部よりも鉛直方向の上方に位置し、
    前記高圧塔の底部が、前記アルゴン塔の底部よりも鉛直方向の上方に位置する、空気液化分離装置。
  2. 前記高圧塔の底部が、前記第１低圧塔の頂部よりも鉛直方向において上方に位置する、請求項１に記載の空気液化分離装置。
  3. 前記アルゴン塔の底部と前記第１低圧塔の下部との間に位置する第２経路と、
    前記第１低圧塔の底部と前記第２低圧塔の上部との間に位置する第３経路と、
    前記第３経路に位置する液化酸素ポンプと、をさらに備える、請求項１又は２に記載の空気液化分離装置。
  4. 前記第１低圧塔の底部と前記アルゴン塔の下部との間に位置する第４経路と、
    前記アルゴン塔の底部と前記第２低圧塔の上部との間に位置する第５経路と、
    前記第５経路に位置する液化酸素ポンプと、をさらに備える、請求項１又は２に記載の空気液化分離装置。
  5. 前記第１低圧塔の底部と前記第２低圧塔の上部との間に位置する第３経路と、
    前記第３経路に位置する液化酸素ポンプと、前記第３経路の前記液化酸素ポンプと前記第１低圧塔の底部との間に位置する点と前記アルゴン塔の底部との間に位置する第６経路と、をさらに備える、請求項１又は２に記載の空気液化分離装置。
  6. 前記第２低圧塔の頂部と前記第１低圧塔の下部との間に位置する第７経路と、
    前記第１低圧塔の下部と前記アルゴン塔の下部との間に位置する第８経路と、をさらに備える、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の空気液化分離装置。
  7. 前記第２低圧塔の頂部と前記アルゴン塔の下部との間に位置する第９経路と、
    前記アルゴン塔の下部と前記第１低圧塔の下部との間に位置する第１０経路と、をさらに備える、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の空気液化分離装置。
  8. 前記第２低圧塔の頂部と前記第１低圧塔の下部との間に位置する第７経路と、
    前記第７経路の分岐点と前記アルゴン塔の下部との間に位置する第１１経路と、をさらに備える、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の空気液化分離装置。
  9. 前記アルゴン塔が、塔内に複数の規則充填物が積層された充填塔である、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の空気液化分離装置。
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