JPH10176883A - 空気分離装置 - Google Patents

空気分離装置

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JPH10176883A
JPH10176883A JP33332696A JP33332696A JPH10176883A JP H10176883 A JPH10176883 A JP H10176883A JP 33332696 A JP33332696 A JP 33332696A JP 33332696 A JP33332696 A JP 33332696A JP H10176883 A JPH10176883 A JP H10176883A
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JP
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oxygen
air
pressure
liquefied
liquefied oxygen
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JP33332696A
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Keiichiro Hashimoto
敬一郎 橋本
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IHI Corp
Original Assignee
IHI Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 石炭ガス化炉で必要な高圧酸素ガスを、小さ
い所要動力で分離供給することができる空気分離装置を
提供する。 【解決手段】 空気Aを極低温の窒素N及び酸素Oと熱
交換して冷却する熱交換器1と、冷却された空気Aを更
に断熱膨張させて酸素Oを液化分離する精留塔2と、を
備えた空気分離装置において、精留塔2から液化酸素O
を抜き出す液化酸素ライン12と、液化酸素ラインに設
けられた液化酸素加圧用の液圧ポンプ14と、を更に備
え、液圧ポンプにより液化酸素を高圧まで加圧する。ま
た液体ポンプ14で加圧された液化酸素を熱交換器1に
導入する高圧酸素ライン16を有し、液化酸素を熱交換
器内で空気と熱交換して高圧酸素ガスとする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、空気分離装置に係
わり、更に詳しくは石炭ガス化装置に適用するための空
気分離装置に関する。
【0002】
【従来の技術】酸素と窒素の液化温度は、それぞれ大気
圧下において約−183℃と約−196℃であり、空気
分離装置の原理は、この差を利用して酸素のみを液化す
ることにより両者を分離するものである。図4は、従来
の空気分離装置の系統図である。この図において、空気
分離装置は、主熱交換器1(コールドボックス)、精留
塔2、過冷却器3等からなり、精留塔2は、高圧精留塔
2aと低圧精留塔2bで構成され、低圧精留塔2bの下
部に主コンデンサー4が配置されている。
【0003】この装置において、除塵・圧縮昇圧・冷却
・不純物除去等の工程を経た高圧/低温の原料空気A
が、主熱交換器1で極低温の製品ガス(酸素ガスOと窒
素ガスN)及び廃ガスEと熱交換して更に冷却され、次
いで高圧精留塔2aの底部で断熱膨張して空気Aが液化
し、精留作用により塔頂に純窒素ガスN、塔底に液化空
気Aが生成する。更に、塔底の液化空気Aは過冷却器3
で冷却された後、低圧精留塔2bの中央部に送られ高圧
精留塔と同様の精留作用により塔頂に純窒素ガスN、塔
底に液化酸素Oが生成される。更に塔底の液化酸素Oを
主コンデンサー3で気化して低圧精留塔2bから取り出
し、主熱交換器1で原料空気Aと熱交換してほぼ常温で
低温分離装置から取り出すようになっている。なお、こ
の図で、5は空気圧縮機、6は圧縮空気の一部を断熱膨
張させる膨張タービン、7aは液化酸素を主コンデンサ
ー3へ循環供給するポンプ、7bはフィルター、8は酸
素セパレータである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の空気分
離装置では、原料空気Aの入口圧力は例えば約6ata
前後であり、酸素の出口圧力はほぼ常圧である。また、
入口圧力を10〜15ataに高めた場合における出口
圧力は約5ata程度となる。すなわち、従来の空気分
離装置における出口酸素の圧力は、入口空気の圧力から
所内圧損を引いた圧力となる。
【0005】しかし、この空気分離装置を石炭ガス化用
の酸素製造装置として用いる場合には、石炭ガス化炉へ
の酸素の必要供給圧力が高圧(例えば約50ata前
後)であるため、空気分離装置から供給される酸素を高
圧に加圧する必要があり、この圧縮動力が非常に大きく
かつ装置が大型,高価になる問題点があった。
【0006】本発明は、かかる問題点を解決するために
創案されたものである。すなわち本発明の目的は、石炭
ガス化炉で必要な高圧酸素ガスを、小さい所要動力で分
離供給することができる空気分離装置を提供することに
ある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、空気を
極低温の窒素及び酸素と熱交換して冷却する熱交換器
と、冷却された空気を更に断熱膨張させて酸素を液化分
離する精留塔と、を備えた空気分離装置において、精留
塔から液化酸素を抜き出す液化酸素ラインと、該液化酸
素ラインに設けられた液化酸素加圧用の液圧ポンプと、
を更に備え、該液圧ポンプにより液化酸素を高圧まで加
圧することを特徴とする空気分離装置が提供される。
【0008】酸素の臨界圧力は、約50.6ataであ
り、この圧力以下では、液化酸素は、湿り蒸気を経て気
化する。従って、酸素を液体状態で臨界圧力以下の高圧
まで昇圧(加圧)し、次いで圧力を保持したまま加熱・
気化させることにより、気体を圧縮する場合と比較して
非常に小さい(1/10以下)動力で高圧ガスを得るこ
とができる。すなわち、上記本発明の構成によれば、液
化酸素ラインを用いて精留塔から液化酸素を抜き出し、
これを液体状態(非圧縮性流体)で、液圧ポンプで加圧
することにより、従来のように空気分離装置から供給さ
れた低圧の酸素ガス(圧縮性流体)をコンプレッサを用
いて圧縮する場合と比較して、小型で安価なポンプを用
いて非常に小さい圧縮動力で所望の高圧まで昇圧するこ
とができる。
【0009】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
精留塔は、高圧精留塔と低圧精留塔とからなり、更に、
高圧精留塔で液化した空気を更に冷却する過冷却器を備
える。この構成により、空気中の酸素と窒素の分離性能
を高めることができる。
【0010】また、前記液体ポンプで加圧された液化酸
素を前記熱交換器に導入する高圧酸素ラインを有し、液
化酸素は熱交換器内で空気と熱交換して高圧酸素ガスと
なる。この構成により、加圧した液化酸素の冷熱を有効
利用でき、かつ熱交換器における伝熱効率を高めること
ができる。
【0011】更に、前記液体ポンプは、遠心型であるこ
とが好ましい。遠心型液体ポンプを用いることにより、
大量の液体を高圧まで効率よく加圧・昇圧することがで
きる。
【0012】
【発明の実施の形態】以下に本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通
する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略す
る。図1は、本発明の空気分離装置の原理図である。こ
の図において、本発明の空気分離装置10は、空気Aを
極低温の窒素N及び酸素Oと熱交換して冷却する熱交換
器1と、冷却された空気Aを更に断熱膨張させて酸素O
を液化分離する精留塔2とを備えている。この構成は、
図4に示した従来の空気分離装置と同様である。
【0013】本発明の空気分離装置10は、更に、精留
塔2から液化酸素Oを抜き出す液化酸素ライン12と、
液化酸素ライン12に設けられた液化酸素加圧用の液圧
ポンプ14と備えている。また、図1では、本発明の空
気分離装置10は、液体ポンプ14で加圧された液化酸
素Oを熱交換器1に導入する高圧酸素ライン16を有し
ている。
【0014】この構成により、液圧ポンプ14により液
化酸素Oを所望の高圧(例えば50ata)まで液体状
態のまま加圧し、次いで圧力一定のまま熱交換器1内で
液化酸素Oを空気Aと熱交換して高圧酸素ガスとするこ
とができ、更に、加圧した液化酸素Oの冷熱を有効利用
でき、かつ熱交換器1における伝熱効率を高めることが
できる。
【0015】なお、図1の例では、加圧された液化酸素
Oを高圧酸素ライン16を介して直接,熱交換器1に導
入しているが、本発明はこれに限定されず、例えば、加
圧された液化酸素Oを精留塔2内に導入してその内部で
蒸発させてもよい。また、液体ポンプ14は、遠心型で
あることが好ましい。遠心型液体ポンプを用いることに
より、大量の液体を高圧まで効率よく加圧・昇圧するこ
とができる。
【0016】図2は、本発明の空気分離装置の全体構成
図である。この図において、精留塔2は、高圧精留塔2
aと低圧精留塔2bとからなり、更に、高圧精留塔2a
で液化した空気Aを更に冷却する過冷却器3を備える。
この構成により、空気中の酸素と窒素の分離性能を高め
ることができる。なお、本発明の空気分離装置10で
は、低圧精留塔2b内に主コンデンサー4(図4参照)
が内蔵されてなく、液化酸素Oが直接,液体ポンプ14
に導入されるようになっている。そのため、空気分離装
置10における酸素Oの純度がわずかに低下する(例え
ば約95%から約92%程度へ)が、石炭ガス化プラン
トが必要とする酸素純度が更に低い(例えば約85%以
上)ので、ほとんど影響はない。また、酸素純度が低下
した分、窒素側に数%の酸素が混入するが、この窒素ガ
スは、ガスタービンの燃焼室等に供給してエネルギー回
収される。
【0017】図3は、酸素のP−v線図を模式的に示す
図である。酸素も液化酸素から蒸発して酸素ガスとなる
過程では、理想気体における直角双曲線ではなく、湿り
蒸気と同様の挙動を示すことが知られている。図3にお
いて、飽和液線と飽和蒸気線が実線で示され、その境界
点が臨界点である。図中の各線は温度一定曲線であり、
飽和液線より比容積vの小さい領域では圧縮液であり、
P−v曲線は急勾配の直線状となる。また、飽和蒸気線
より比容積vの大きい領域ではいわゆる過熱蒸気であ
り、P−v曲線はなだらかな曲線となり、飽和蒸気線か
ら離れるほど直角双曲線に近づく。飽和液線と飽和蒸気
線の間は湿り蒸気であり、一定の圧力を示す。
【0018】図3において、酸素ガスをP1からP2ま
で加圧する場合を曲線ABで示し、同様に液化酸素をP
1からP2まで加圧する場合を曲線A′B′で示してい
る。また、液相の加圧(曲線A′B′)では、温度はほ
ぼ一定に保たれるが、気相の加圧(曲線AB)では、気
体の断熱圧縮によりB点は等温線よりも上方に位置す
る。
【0019】圧縮動力は、Pδvの積分値であり、この
図においては、面積ABCDと面積A′B′C′D′で
示される。従って、この図から、従来のように空気分離
装置から供給された低圧の酸素ガス(圧縮性流体)をコ
ンプレッサを用いて圧縮する場合と比較して、小型で安
価なポンプを用いて非常に小さい圧縮動力で所望の高圧
まで昇圧することができることがわかる。
【0020】なお、酸素の臨界圧力は、約50.6at
aであり、この圧力以下では、液化酸素は、湿り蒸気を
経て気化する。従って、酸素を液体状態で臨界圧力以下
の高圧まで昇圧(加圧)し、次いで圧力を保持したまま
加熱・気化させることにより、気体を圧縮する場合と比
較して非常に小さい(1/10以下)動力で高圧ガスを
得ることができる。
【0021】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できる
ことは勿論である。
【0022】
【発明の効果】上述したように、本発明の空気分離装置
は、石炭ガス化炉で必要な高圧酸素ガスを、小さい所要
動力で分離供給することができる等の優れた効果を有す
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の空気分離装置の原理図である。
【図2】本発明の空気分離装置の全体構成図である。
【図3】酸素のP−v線図である。
【図4】従来の空気分離装置の全体構成図である。
【符号の説明】
1 主熱交換器(コールドボックス) 2 精留塔 2a 高圧精留塔 2b 低圧精留塔 3 過冷却器 4 主コンデンサー 5 空気圧縮機 6 膨張タービン 7a ポンプ 7b フィルター 8 酸素セパレータ 10 空気分離装置 12 液化酸素ライン 14 液体ポンプ 16 高圧酸素ライン

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 空気を極低温の窒素及び酸素と熱交換し
    て冷却する熱交換器と、冷却された空気を更に断熱膨張
    させて酸素を液化分離する精留塔と、を備えた空気分離
    装置において、 精留塔から液化酸素を抜き出す液化酸素ラインと、該液
    化酸素ラインに設けられた液化酸素加圧用の液圧ポンプ
    と、を更に備え、該液圧ポンプにより液化酸素を高圧ま
    で加圧することを特徴とする空気分離装置。
  2. 【請求項2】 前記精留塔は、高圧精留塔と低圧精留塔
    とからなり、更に、高圧精留塔で液化した空気を更に冷
    却する過冷却器を備える、ことを特徴とする請求項1に
    記載の空気分離装置。
  3. 【請求項3】 前記液体ポンプで加圧された液化酸素を
    前記熱交換器に導入する高圧酸素ラインを有し、液化酸
    素は熱交換器内で空気と熱交換して高圧酸素ガスとな
    る、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の空気分離
    装置。
  4. 【請求項4】 前記液体ポンプは、遠心型である、こと
    を特徴とする、請求項1乃至3に記載の空気分離装置。
JP33332696A 1996-12-13 1996-12-13 空気分離装置 Pending JPH10176883A (ja)

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