WO2025224969A1 - 深冷分離装置 - Google Patents

深冷分離装置

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heat exchanger
hydrogen
cryogenic separation
evaporator
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理子 矢嶋
秀則 有澤
優 小山
優一 松末
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Kawasaki Heavy Industries Ltd
Kawasaki Motors Ltd
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Kawasaki Heavy Industries Ltd
Kawasaki Jukogyo KK
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    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
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    • F25J3/04254—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using the cold stored in external cryogenic fluids
    • F25J3/0426—The cryogenic component does not participate in the fractionation
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    • F25J2200/50—Processes or apparatus using separation by rectification using multiple (re-)boiler-condensers at different heights of the column
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2200/00—Processes or apparatus using separation by rectification
    • F25J2200/72—Refluxing the column with at least a part of the totally condensed overhead gas

Definitions

  • This disclosure relates to a cryogenic separation device.
  • the present disclosure aims to provide a cryogenic separation device that can reduce the compression power required to send air to a rectification tower and enable the rectification tower to be configured simply, compared to conventional devices.
  • One aspect of the present disclosure is a cryogenic separation device comprising: a heat exchanger that cools air supplied from an air supply source by exchanging heat with a refrigerant; a rectification tower consisting of a single tower into which the cooled air flows and separates the air into nitrogen and oxygen; a condenser that condenses the nitrogen gas separated in the rectification tower using the cold heat of hydrogen supplied from a liquid hydrogen supply source; and an evaporator that evaporates the liquid oxygen separated in the rectification tower; and the liquid nitrogen condensed in the condenser and the oxygen gas evaporated in the evaporator are supplied to the rectification tower.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a cryogenic separation device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a heat exchanger and an evaporator in the cryogenic separation device of the embodiment.
  • the rectification column requires a condenser for nitrogen, a low-boiling component, and an evaporator for oxygen, a high-boiling component.
  • This cryogenic separation system is equipped with two rectification columns: a high-pressure column and a low-pressure column.
  • the condenser for the high-pressure column and the evaporator for the low-pressure column are often configured as a single heat exchanger. This allows nitrogen gas from the high-pressure column to be condensed with liquid oxygen from the low-pressure column, and the nitrogen gas from the high-pressure column to evaporate the liquid oxygen from the low-pressure column.
  • the majority of the power consumed in this cryogenic separation process is the compression power required to send air to the high-pressure column.
  • the present inventors have discovered that by utilizing the cold energy of liquid hydrogen for cryogenic separation, it is possible to reduce the compression power required to send air to the fractionator.
  • Patent Document 1 discloses an air separation unit that utilizes the cold energy of liquid hydrogen.
  • this air separation unit is composed of an upper distillation column and a lower distillation column, there is room for improvement in terms of simplifying the device configuration.
  • the present inventors therefore conducted extensive research into a cryogenic separation device that can reduce the compression power required to send air to a rectification column and enable the rectification column to be configured simply, and as a result, came up with the above-mentioned aspect of the present disclosure.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of a cryogenic separation apparatus according to an embodiment.
  • gravity acts from “top” to “bottom,” and “upper” and “lower” directions are taken as shown in the figure.
  • Heat exchanger 10 is a device that cools air by exchanging heat between air supplied from an air supply source and a refrigerant.
  • Heat exchanger 10 may have any configuration as long as it can exchange heat between air supplied from an air supply source and a refrigerant to cool the air.
  • air at approximately the outside temperature supplied from the air supply source functions as the heating fluid, and the extremely low temperature refrigerant functions as the heat-receiving fluid. Specific examples of such refrigerants will be described later.
  • the air supply source includes known devices for pre-treating the air supplied to the cryogenic separation unit 100.
  • the air supply source may include an air filter to remove dust, an air compressor, a cooling tower, and an adsorber to remove moisture, etc.
  • the air that has passed through the air filter is pressurized by the amount of pressure loss in the piping that makes up the air path from the air compressor to the distillation column 11.
  • cooling tower air pressurized by the air compressor is cooled to approximately the outside temperature. Then, in the adsorber, moisture and carbon dioxide are removed from the air cooled in the cooling tower.
  • the above configuration of the air supply source is merely an example and is not limited to this example.
  • the air supply source since the air is only pressurized by the air compressor by the amount of pressure loss in the piping that makes up the air path, the air supply source does not need to be equipped with a water cooling system to cool the air.
  • Rectification tower 11 is a single-column device that receives air cooled in heat exchanger 10 and separates it into nitrogen and oxygen. After passing through heat exchanger 10, the air flows into rectification tower 11 in its gaseous form. In rectification tower 11, the air cooled to extremely low temperatures in heat exchanger 10 is separated into nitrogen and oxygen by utilizing the difference in boiling points between oxygen and nitrogen. Specifically, within rectification tower 11, a gas-liquid equilibrium state is created through gas-liquid contact between the descending liquid and the ascending gas. As a result, nitrogen components with low boiling points are concentrated in the gas phase, and oxygen components with high boiling points are concentrated in the liquid phase.
  • the condenser 12 is a device that condenses the nitrogen gas separated in the distillation column 11 using the cold heat of hydrogen supplied from a liquid hydrogen supply source.
  • the liquid nitrogen condensed in the condenser 12 is supplied to the distillation column 11.
  • the condenser 12 may have any configuration as long as it can condense the nitrogen gas separated in the distillation column 11 using the cold heat of hydrogen.
  • the rectification column of an existing cryogenic separation apparatus generally includes an upper distillation column (low-pressure column) and a lower distillation column (high-pressure column).
  • the cryogenic separation apparatus 100 of this embodiment is characterized in that it can utilize the cold energy of hydrogen supplied from the liquid hydrogen supply source, thereby eliminating the need for a lower distillation column (high-pressure column). Therefore, in this specification, the rectification column 11 having such a characteristic is referred to as a "single column.”
  • the condenser 12 is located near the top of the distillation column 11. This allows nitrogen gas extracted from the top of the distillation column 11 to be easily supplied to the condenser 12.
  • the liquid nitrogen condensed in the condenser 12 is stored in a liquid nitrogen storage tank 13 adjacent to the condenser 12, and the liquid nitrogen in the liquid nitrogen storage tank 13 is supplied to the top of the distillation column 11.
  • the liquid nitrogen in the liquid nitrogen storage tank 13 may be extracted to the outside as high-purity nitrogen. This eliminates the need for a dedicated heat exchanger to liquefy the nitrogen gas from the distillation column 11 when extracting liquid nitrogen from the cryogenic separation device 100.
  • nitrogen gas before flowing into the condenser 12 may be extracted to the outside as high-purity nitrogen.
  • the liquid hydrogen supply source may include a liquid hydrogen storage tank and a pump for supplying liquid hydrogen from the liquid hydrogen storage tank to the cryogenic separation device 100.
  • the above configuration of the liquid hydrogen supply source is merely an example and is not limited to this example.
  • the hydrogen that has undergone cold heat recovery in the cryogenic separation device 100 is to be used in a hydrogen gas turbine or the like, it needs to be pressurized to a pressure above the critical pressure. Therefore, as in this example, it is better to pressurize the hydrogen to a high pressure using a pump before cold heat recovery. This reduces the pump power compared to when the hydrogen is pressurized to a high pressure after cold heat recovery.
  • the timing of pressurizing the hydrogen using the pump can be either before or after cold heat recovery.
  • the hydrogen that passes through the condenser 12 is supplied to an appropriate hydrogen utilization facility.
  • Such hydrogen utilization facilities include, but are not limited to, hydrogen gas turbines.
  • Evaporator 14 is a device that evaporates the liquid oxygen separated in rectification column 11.
  • the oxygen gas evaporated in evaporator 14 is supplied to rectification column 11.
  • Evaporator 14 may have any configuration as long as it can evaporate the liquid oxygen separated in rectification column 11.
  • the evaporator 14 is located near the bottom of the distillation column 11, and liquid oxygen extracted from the bottom of the distillation column 11 is supplied to the evaporator 14, which then recovers heat from an appropriate heat medium, causing the liquid oxygen in the evaporator 14 to evaporate. Specific examples of such heat medium will be explained later.
  • the control device may control the operation of each device of the cryogenic separation device 100.
  • the control device may include, for example, an arithmetic circuit and a memory circuit that stores a control program.
  • Examples of the arithmetic circuit include an MPU and a CPU.
  • Examples of the memory circuit include a memory.
  • the control device may be composed of a single controller that performs centralized control, or may be composed of multiple controllers that cooperate with each other to perform distributed control. It should be noted that the functions of the elements disclosed herein can be performed using circuits or processing circuits, including general-purpose processors, special-purpose processors, integrated circuits, application-specific integrated circuits (ASICs), conventional circuits, or combinations thereof, configured or programmed to perform the disclosed functions.
  • ASICs application-specific integrated circuits
  • a processor is considered a processing circuit or circuit because it includes transistors and other circuitry.
  • a circuit, unit, or means is hardware that performs the recited functions or hardware that is programmed to perform the recited functions.
  • the hardware may be hardware disclosed herein or other known hardware that is programmed or configured to perform the recited functions.
  • the hardware is a processor, which is considered a type of circuit, the circuit, unit, or means is a combination of hardware and software, and the software is used to configure the hardware or processor.
  • the cryogenic separation device 100 of this embodiment can reduce the compression power required to send air to the rectification tower 11 compared to conventional devices, and can simplify the configuration of the rectification tower 11.
  • the nitrogen gas separated in the rectification tower 11 is condensed in the condenser 12 using the cold heat of hydrogen supplied from the liquid hydrogen supply source, so there is no need to pressurize the nitrogen gas present in the high-pressure rectification tower, as is the case with conventional cryogenic separation devices.
  • the cryogenic separation device 100 of this embodiment does not require the rectification tower 11 to be configured as multiple towers, divided into a high-pressure tower and a low-pressure tower, but can be configured as a single low-pressure tower.
  • the cryogenic separation apparatus 100 of this embodiment can reduce the compression power required to send air to the rectification column 11 compared to conventional cryogenic separation apparatuses.
  • cryogenic separation apparatus 100 of this embodiment allows for a simpler configuration of the distillation column 11 compared to the invention disclosed in Patent Document 1.
  • cryogenic separation device 100 of this embodiment uses the cryogenic heat of hydrogen to provide the cold energy required for cryogenic separation, thereby eliminating the need for a conventional expansion turbine.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a heat exchanger and an evaporator in a cryogenic separation device according to an embodiment.
  • the "upper” and “lower” directions are taken as shown in the figure, assuming that gravity acts from “upper” to “lower.”
  • Heat exchanger 10A is a device that pre-cools air using the cold energy of hydrogen as a refrigerant.
  • Heat exchanger 10B is a device that further cools the air pre-cooled in heat exchanger 10A using the cold energy of hydrogen as a refrigerant.
  • Evaporator 14 is a device that evaporates the liquid oxygen separated in fractionator 11 by recovering the heat from the air pre-cooled in heat exchanger 10A.
  • the cryogenic separation device 100 is equipped with a hydrogen path 21 through which hydrogen supplied from a liquid hydrogen supply source flows, and the hydrogen path 21 passes through the condenser 12, heat exchanger 10B, and heat exchanger 10A in that order.
  • the hydrogen that passes through the hydrogen path 21 is supplied to appropriate hydrogen utilization equipment in the same manner as described above.
  • the cryogenic separation device 100 also includes an air path 20 through which air supplied from an air supply source flows, and the air path 20 passes through the heat exchanger 10A, the evaporator 14, and the heat exchanger 10B in that order.
  • the end of the air path 20 is connected to the fractionator 11.
  • the evaporator 14 comprises an evaporation tank 14A that stores liquid oxygen, and a heat exchanger 14B that is placed in the liquid oxygen within the evaporation tank 14A.
  • the air that has passed through the heat exchanger 10A functions as a heating fluid
  • the liquid oxygen in the evaporation tank 14A functions as a heat-receiving fluid.
  • the liquid oxygen in the evaporation tank 14A evaporates by recovering heat from the air pre-cooled in the heat exchanger 10A, and the air pre-cooled in the heat exchanger 10A imparts heat of evaporation to the liquid oxygen, further cooling the air.
  • the cryogenic separation device 100 of this embodiment can use air as a heat source to evaporate liquid oxygen in the evaporator 14, and can also use the sensible heat of hydrogen and the heat of evaporation of liquid oxygen as cold energy to cool the air supplied to the distillation column 11 to the liquefaction temperature.
  • the cryogenic separation device 100 of this embodiment supplies air that has been pre-cooled in the heat exchanger 10A to the evaporator 14, thereby reducing the possibility of damage to the flow path components that make up the evaporator 14 compared to when air is supplied to the evaporator without being pre-cooled in the heat exchanger 10A.
  • the nitrogen gas separated in the rectification column is condensed in the condenser using the cold heat of hydrogen supplied from the liquid hydrogen supply source, so there is no need to pressurize the nitrogen gas present in the high-pressure rectification column, as is the case with conventional cryogenic separation devices.
  • the cryogenic separation device of this embodiment does not need to be configured as a multi-column rectification column divided into a high-pressure column and a low-pressure column, but can be configured as a single low-pressure column.
  • cryogenic separation device of this embodiment allows for a simpler configuration of the distillation column compared to the invention disclosed in Patent Document 1.
  • cryogenic separation device of this embodiment uses the cryogenic heat of hydrogen to provide the cold energy required for cryogenic separation, eliminating the need for a conventional expansion turbine.
  • a third aspect of the cryogenic separation apparatus of the present disclosure is the cryogenic separation apparatus of the second aspect, wherein the cryogenic separation apparatus includes an air path through which air supplied from an air supply source flows, and the air path may pass through the first heat exchanger, evaporator, and second heat exchanger in this order.
  • a fourth aspect of the cryogenic separation apparatus of the present disclosure is the cryogenic separation apparatus of the second or third aspect, wherein the hydrogen path through which hydrogen supplied from a liquid hydrogen supply source flows may pass through the condenser, second heat exchanger, and first heat exchanger in this order.
  • the cryogenic separation device of this embodiment can reduce the possibility of damage to the flow path components that make up the evaporator compared to when air is supplied to the evaporator without being pre-cooled in the first heat exchanger.
  • cryogenic separation device of this embodiment supplies air pre-cooled in the first heat exchanger to the evaporator via an air path, thereby reducing the maintenance burden on the flow path components that make up the evaporator compared to when hydrogen is supplied to the evaporator.
  • the cryogenic separation device of the fifth aspect of the present disclosure may be the cryogenic separation device of the first aspect, in which the liquid nitrogen condensed in the condenser is taken out to the outside.
  • the cryogenic separation device of this embodiment does not require a dedicated heat exchanger for liquefying nitrogen gas from the distillation column when extracting liquid nitrogen from the cryogenic separation device.

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Abstract

深冷分離装置は、空気供給源から供給される空気と冷媒とを熱交換して空気を冷却する熱交換器と、冷却後の空気が流入し、当該空気を窒素と酸素とに分離する単塔で構成された精留塔と、液体水素供給源から供給される水素の冷熱により精留塔で分離された窒素ガスを凝縮させる凝縮器と、精留塔で分離された液体酸素を蒸発させる蒸発器と、を備え、凝縮器で凝縮された液体窒素および蒸発器で蒸発された酸素ガスは、精留塔に供給される。

Description

深冷分離装置
  本開示は深冷分離装置に関する。
　特許文献１には、液体水素の冷熱を利用した空気分離ユニットが開示されている。具体的には、液体水素貯蔵タンク、液体水素貯蔵タンクから排出された液体水素を気化する気化器、気化した水素ガスが供給されて電力を生成する水素燃料電池および液体水素の気化過程で熱交換を通じて冷熱を回収して活用する冷熱活用部を含む液体水素燃料供給システムが開示され、空気分離ユニットが、液体水素の気化器において発生した冷熱を利用して空気を分離するように構成されている。
ＫＲ１０２４２７７３１Ｂ１
　本開示は、一例として、従来に比べて、精留塔に空気を送るための圧縮動力を削減し得るとともに、精留塔をシンプルに構成し得る深冷分離装置を提供することを課題とする。
　本開示の一態様(aspect)の深冷分離装置は、空気供給源から供給される空気と冷媒とを熱交換して前記空気を冷却する熱交換器と、冷却後の前記空気が流入し、前記空気を窒素と酸素とに分離する単塔で構成された精留塔と、液体水素供給源から供給される水素の冷熱により前記精留塔で分離された窒素ガスを凝縮させる凝縮器と、前記精留塔で分離された液体酸素を蒸発させる蒸発器と、を備え、前記凝縮器で凝縮された液体窒素および前記蒸発器で蒸発された酸素ガスは、前記精留塔に供給される。
　本開示の一態様の深冷分離装置は、従来に比べて、精留塔に空気を送るための圧縮動力を削減し得るとともに、精留塔をシンプルに構成し得るという効果を奏する。
図１は、実施形態の深冷分離装置の一例を示す図である。 図２は、実施形態の深冷分離装置における熱交換器および蒸発器の一例を示す図である。
　一般的な深冷分離装置では、精留塔において，低沸点成分の窒素の凝縮器と高沸点成分の酸素の蒸発器が必要である。この深冷分離装置は、高圧精留塔と低圧精留塔の２つの精留塔が設けられ、高圧精留塔の凝縮器と低圧精留塔の蒸発器を一つの熱交換器として構成されることが多い。これにより、高圧精留塔の窒素ガスを低圧精留塔の液体酸素で凝縮させ、高圧精留塔の窒素ガスで低圧精留塔の液体酸素を蒸発させる。このような深冷分離プロセスの消費電力の大部分は、高圧精留塔に空気を送るための圧縮動力である。つまり、深冷分離プロセスにおいて、高圧精留塔の窒素ガスを低圧精留塔の液体酸素で凝縮するには、高圧精留塔に存在する窒素を高圧化させることにより、低圧精留塔の酸素の沸点を上回るように高圧精留塔の窒素の沸点を上げる必要がある。また、精留塔で空気を酸素および窒素に分離するには、精留塔に供給される空気を極低温にするための冷熱が必要となる。このため、深冷分離プロセスは、圧縮機などの昇圧器で昇圧した圧縮空気の大部分を高圧精留塔に供給させるとともに、膨張タービンを介して圧縮空気の一部を低圧精留塔に供給させることが一般的である。膨張タービンは、圧縮空気を断熱膨張に近い形で膨張させることにより冷熱を発生させることができる。
　このような状況において、本開示者らは、液体水素の冷熱を深冷分離に利用することで精留塔に空気を送るための圧縮動力を削減し得ることを見出した。
　ここで、特許文献１には、上記の如く、液体水素の冷熱を利用した空気分離ユニットが開示されているが、かかる空気分離ユニットは、上段の蒸留塔と下段の蒸留塔とで構成されているので、装置をシンプルに構成する視点において改善の余地がある。
　そこで、本開示者らは、精留塔に空気を送るための圧縮動力を削減し得るとともに、精留塔をシンプルに構成し得る深冷分離装置について鋭意検討を行った結果、本開示の上記態様に想到した。
　以下、添付図面を参照しながら、本開示の上記態様の具体例を説明する。以下で説明する具体例は、いずれも本開示の上記態様の一例を示すものである。よって、以下で示される形状、数値、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態などは、請求項に記載されていない限り、請求項の範囲を限定するものではない。
　また、以下に説明する構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比などについては正確な表示ではない場合がある。
（実施形態）
　図１は、実施形態の深冷分離装置の一例を示す図である。図１において、重力が「上」から「下」に作用するものとして、「上下」を同図の如く取っている。
　深冷分離装置１００は、熱交換器１０と、精留塔１１と、凝縮器１２と、蒸発器１４と、を備える。
　熱交換器１０は、空気供給源から供給される空気と冷媒とを熱交換して空気を冷却する装置である。熱交換器１０は、空気供給源から供給される空気と冷媒とを熱交換して空気を冷却することができれば、どのような構成であってもよい。
　本例では、熱交換器１０において、空気供給源から供給される外気温程度の空気が加熱流体として機能するとともに、極低温の冷媒が受熱流体として機能する。かかる冷媒の具体例は後で説明する。
　空気供給源は、深冷分離装置１００に供給される空気の前処理を行うための公知の装置を備える。例えば、空気供給源は、粉塵を除去するためのエアーフィルター、空気圧縮機、冷却塔および水分などを除去する吸着器などを備えてもよい。空気圧縮機では、エアーフィルターを通過した空気が、空気圧縮機から精留塔１１までの空気経路を構成する配管の圧損分だけ昇圧される。
　冷却塔において、空気圧縮機で昇圧された空気が外気温程度まで冷却される。そして、吸着器では、冷却塔で冷却された空気から水分および二酸化炭素が除去される。
　ただし、空気供給源の上記構成は、例示であって、本例に限定されない。例えば、空気は、空気圧縮機によって空気経路を構成する配管の圧損分だけ昇圧されるに過ぎないので、空気供給源に、空気を冷却するための水冷却系統が設けられなくてもよい。
　精留塔１１は、熱交換器１０で冷却後の空気が流入し、当該空気を窒素と酸素とに分離する単塔で構成された装置である。熱交換器１０を通過した空気は、気体のまま精留塔１１に流入する。精留塔１１では、酸素および窒素の沸点の差を利用して、熱交換器１０で極低温にまで冷却された空気が窒素と酸素とに分離される。具体的には、精留塔１１内では、上方から下降する液体と上昇ガスとが気液接触することにより、気液平衡状態が作り出される。すると、沸点の低い窒素成分はガス相に多く含まれ、沸点の高い酸素成分は液相に多く含まれる。これを繰り返すことにより、精留塔１１は、上方ほど窒素濃度が高い窒素ガスが得られ、下方ほど酸素濃度が高い酸素が得られる。このような精留塔１１の精留プロセスは公知であるので詳細な説明は省略する。
　凝縮器１２は、液体水素供給源から供給される水素の冷熱により精留塔１１で分離された窒素ガスを凝縮させる装置である。凝縮器１２で凝縮された液体窒素は、精留塔１１に供給される。凝縮器１２は、水素の冷熱により精留塔１１で分離された窒素ガスを凝縮させることができれば、どのような構成であってもよい。
　なお、既存の深冷分離装置の精留塔においては、上段蒸留塔（低圧塔）および下段蒸留塔（高圧塔）を含むことが一般的である。
　これに対して、本実施形態の深冷分離装置１００は、上記の如く、液体水素供給源から供給される水素の冷熱を利用することができるため、下段蒸留塔（高圧塔）が不必要になるという特徴がある。よって、本明細書において、かかる特徴を備える精留塔１１を「単塔」という。
　本例では、凝縮器１２は、精留塔１１の上部近傍に設けられている。これにより、精留塔１１の上面から取り出された窒素ガスが凝縮器１２に容易に供給され得る。凝縮器１２で凝縮された液体窒素は、凝縮器１２に隣接する液体窒素貯蔵タンク１３に貯蔵されるとともに、液体窒素貯蔵タンク１３内の液体窒素は、精留塔１１の上部に供給される。
　液体窒素貯蔵タンク１３内の液体窒素は、高純度窒素として外部に取り出されてもよい。これにより、深冷分離装置１００から液体窒素を取り出す際に、精留塔１１からの窒素ガスを液化するための専用の熱交換器が不要となる。
　ただし、上記は例示であって、これに限定されない。例えば、凝縮器１２に流入する前の窒素ガスが、高純度窒素として外部に取り出されてもよい。
　液体水素供給源は、液体水素貯蔵タンクと、液体水素貯蔵タンク内の液体水素を深冷分離装置１００に供給するためのポンプと、を備えてもよい。
　ただし、液体水素供給源の上記構成は、例示であって、本例に限定されない。例えば、深冷分離装置１００で冷熱回収が行われた水素が水素ガスタービンなどに利用される場合は臨界圧以上の高圧まで昇圧する必要があるので、本例の如く、冷熱回収前に、ポンプにより水素を高圧に昇圧する方がよい。すると、冷熱回収後に、水素を高圧に昇圧する場合に比べて、ポンプ動力を削減することができる。これに対して、深冷分離装置１００で冷熱回収が行われた水素が化学反応の原料として利用されるなどで、水素を高圧化させる必要がない場合は、ポンプによる水素昇圧タイミングは、冷熱回収前でも冷熱回収後でも構わない。
　凝縮器１２を通過した水素は、適宜の水素利用設備に供給される。かかる水素利用設備として、水素ガスタービンなどを挙げることができるが、これらに限定されない。
　蒸発器１４は、精留塔１１で分離された液体酸素を蒸発させる装置である。蒸発器１４で蒸発された酸素ガスは、精留塔１１に供給される。蒸発器１４は、精留塔１１で分離された液体酸素を蒸発させることができれば、どのような構成であってもよい。
　本例では、蒸発器１４は、精留塔１１の下部近傍に設けられ、精留塔１１の下面から取り出された液体酸素が蒸発器１４に供給されるとともに、蒸発器１４が適宜の熱媒体の熱を回収することにより蒸発器１４内の液体酸素が蒸発する。かかる熱媒体の具体例は後で説明する。
　蒸発器１４内の液体酸素は、蒸発器１４の下面から高純度酸素として外部に取り出されてもよいが、これに限定されない。例えば、精留塔１１内の酸素ガスが高純度酸素として外部に取り出されてもよい。
　制御装置が、深冷分離装置１００の各機器の動作を制御してもよい。制御装置は、例えば、演算回路と、制御プログラムを記憶する記憶回路と、を備える。演算回路として、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵなどを挙げることができる。記憶回路として、例えば、メモリなどを挙げることができる。制御装置は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。
　なお、本明細書で開示する要素の機能は、開示された機能を実行するよう構成またはプログラムされた汎用プロセッサ、専用プロセッサ、集積回路、ASIC（Application Specific Integrated Circuits）、従来の回路、または、それらの組み合わせを含む回路または処理回路を使用して実行できる。プロセッサは、トランジスタやその他の回路を含むため、処理回路または回路と見なされる。本明細書において、回路、ユニット、または手段は、列挙された機能を実行するハードウェアであるか、または、列挙された機能を実行するようにプログラムされたハードウェアである。ハードウェアは、本明細書に開示されているハードウェアであってもよいし、あるいは、列挙された機能を実行するようにプログラムまたは構成されているその他の既知のハードウェアであってもよい。ハードウェアが回路の一種と考えられるプロセッサである場合、回路、ユニット、または手段はハードウェアとソフトウェアとの組み合わせであり、ソフトウェアはハードウェアまたはプロセッサの構成に使用される。
　以上のとおり、本実施形態の深冷分離装置１００は、従来に比べて、精留塔１１に空気を送るための圧縮動力を削減し得るとともに、精留塔１１をシンプルに構成し得る。
　具体的には、液体水素供給源から供給される水素の冷熱により精留塔１１で分離された窒素ガスが凝縮器１２によって凝縮されるので、従来の深冷分離装置の如く、高圧精留塔に存在する窒素ガスを高圧化させる必要がない。つまり、本実施形態の深冷分離装置１００は、精留塔１１を高圧塔と低圧塔に分けた複数塔で構成する必要がなく、低圧の単塔で構成することができる。
　よって、本実施形態の深冷分離装置１００は、従来の深冷分離装置に比べて、精留塔１１に空気を送るための圧縮動力を削減することができる。
　また、本実施形態の深冷分離装置１００は、特許文献１に開示された発明に比べて、精留塔１１をシンプルに構成することができる。
　さらに、本実施形態の深冷分離装置１００は、深冷分離に必要な冷熱を水素の冷熱により賄うことで、従来の膨脹タービンを不要にすることができる。
　＜熱交換器および蒸発器の具体例＞
　図２は、実施形態の深冷分離装置における熱交換器および蒸発器の一例を示す図である。図２において、重力が「上」から「下」に作用するものとして、「上下」を同図の如く取っている。
　深冷分離装置１００は、熱交換器１０Ａと、熱交換器１０Ｂと、精留塔１１と、凝縮器１２と、蒸発器１４と、を備える。ここで、精留塔１１および凝縮器１２は、上記と同様であるので説明を省略する。
　熱交換器１０Ａは、冷媒として水素の冷熱により空気を予備冷却する装置である。また、熱交換器１０Ｂは、冷媒として水素の冷熱により熱交換器１０Ａで予備冷却された空気をさらに冷却する装置である。さらに、蒸発器１４は、熱交換器１０Ａで予備冷却された空気の熱を回収することにより精留塔１１で分離された液体酸素を蒸発させる装置である。
　ここで、深冷分離装置１００は、液体水素供給源から供給される水素が流れる水素経路２１を備え、水素経路２１は、凝縮器１２、熱交換器１０Ｂおよび熱交換器１０Ａをこの順番に通る。水素経路２１を通過した水素は、上記と同様に適宜の水素利用設備に供給される。
　また、深冷分離装置１００は、空気供給源から供給される空気が流れる空気経路２０を備え、空気経路２０は、熱交換器１０Ａ、蒸発器１４および熱交換器１０Ｂをこの順番に通る。空気経路２０の先端は、精留塔１１に接続される。
　つまり、熱交換器１０Ａにおいて、空気供給源から供給される外気温程度の空気が加熱流体として機能するとともに、熱交換器１０Ｂを通過した極低温の水素が受熱流体として機能する。これにより、外気温程度の空気が、水素との熱交換により、例えば、マイナス数十℃程度にまで予備冷却される。
　蒸発器１４は、液体酸素を貯蔵する蒸発タンク１４Ａと、蒸発タンク１４Ａ内の液体酸素中に設けられた熱交換器１４Ｂと、を備える。熱交換器１４Ｂにおいて、熱交換器１０Ａを通過した空気が加熱流体として機能するとともに、蒸発タンク１４Ａの液体酸素が受熱流体として機能する。これにより、蒸発タンク１４Ａの液体酸素が熱交換器１０Ａで予備冷却された空気の熱を回収することで蒸発するとともに、熱交換器１０Ａで予備冷却された空気から上記液体酸素に対して蒸発熱が付与されることで、当該空気がさらに冷却される。
　熱交換器１０Ｂにおいて、蒸発器１４を通過した空気が加熱流体として機能するとともに、凝縮器１２を通過した極低温の水素が受熱流体として機能する。これにより、熱交換器１０Ａおよび蒸発器１４で予備冷却された空気が、水素との熱交換により、例えば、液体空気の温度程度にまで冷却される。そして、熱交換器１０Ｂを通過した空気が精留塔１１に供給される。
　このようにして、本実施形態の深冷分離装置１００は、蒸発器１４で液体酸素を蒸発させるための熱源として空気を利用し得るとともに、精留塔１１に供給される空気を液化温度にまで冷却するための冷熱として、水素の顕熱と液体酸素の蒸発熱とを利用し得る。
　ここで、熱交換器１０Ａで予備冷却された空気を蒸発器１４に供給する理由は、以下の通りである。
　仮に、空気を熱交換器１０Ａで予備冷却せずに蒸発器に供給する場合、空気の温度と液体酸素の温度との温度差が大きい。この場合、上記温度差によって蒸発器を構成する流路部材が損傷する可能性がある。
　しかし、本実施形態の深冷分離装置１００は、熱交換器１０Ａで予備冷却された空気を蒸発器１４に供給することで、空気を熱交換器１０Ａで予備冷却せずに蒸発器に供給する場合に比べて、蒸発器１４を構成する流路部材が損傷する可能性を低減することができる。
　また、仮に、適温の水素を蒸発器に供給する場合、蒸発器における流路部材の溶接部、継手部などから液体酸素中に水素が漏洩しないように当該流路部材を適切にメンテナンスする必要がある。
　しかし、本実施形態の深冷分離装置１００は、空気経路２０を介して熱交換器１０Ａで予備冷却された空気を蒸発器１４に供給することで、水素を蒸発器に供給する場合に比べて、蒸発器１４を構成する流路部材のメンテナンス負担を軽減することができる。
　上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良および他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、本開示の構造、本開示の機能を実質的に変更できる。
　（本開示の各態様について）
　上記説明から、以下の本開示の各態様が案出される。
　本開示の第１態様の深冷分離装置は、空気供給源から供給される空気と冷媒とを熱交換して空気を冷却する熱交換器と、冷却後の空気が流入し、当該空気を窒素と酸素とに分離する単塔で構成された精留塔と、液体水素供給源から供給される水素の冷熱により精留塔で分離された窒素ガスを凝縮させる凝縮器と、精留塔で分離された液体酸素を蒸発させる蒸発器と、を備え、凝縮器で凝縮された液体窒素および蒸発器で蒸発された酸素ガスは、精留塔に供給される。
　かかる構成によると、本態様の深冷分離装置は、従来に比べて、精留塔に空気を送るための圧縮動力を削減し得るとともに、精留塔をシンプルに構成し得る。
　具体的には、液体水素供給源から供給される水素の冷熱により精留塔で分離された窒素ガスが凝縮器によって凝縮されるので、従来の深冷分離装置の如く、高圧精留塔に存在する窒素ガスを高圧化させる必要がない。つまり、本態様の深冷分離装置は、精留塔を高圧塔と低圧塔に分けた複数塔で構成する必要がなく、低圧の単塔で構成することができる。
　よって、本態様の深冷分離装置は、従来の深冷分離装置に比べて、精留塔に空気を送るための圧縮動力を削減することができる。
　また、本態様の深冷分離装置は、特許文献１に開示された発明に比べて、精留塔をシンプルに構成することができる。
　さらに、本態様の深冷分離装置は、深冷分離に必要な冷熱を水素の冷熱により賄うことで、従来の膨脹タービンを不要にすることができる。
　ここで、本開示の第２態様の深冷分離装置は、第１態様の深冷分離装置において、熱交換器は、上記冷媒として水素の冷熱により空気を予備冷却する第１熱交換器と、上記冷媒として水素の冷熱により第１熱交換器で予備冷却された空気をさらに冷却する第２熱交換器と、を備え、蒸発器は、第１熱交換器で予備冷却された空気の熱を回収することにより精留塔で分離された液体酸素を蒸発させてもよい。また、本開示の第３態様の深冷分離装置は、第２態様の深冷分離装置において、空気供給源から供給される空気が流れる空気経路を備え、空気経路は、第１熱交換器、蒸発器および第２熱交換器をこの順番に通ってもよい。さらに、本開示の第４態様の深冷分離装置は、第２態様または第３態様の深冷分離装置において、液体水素供給源から供給される水素が流れる水素経路を備え、水素経路は、凝縮器、第２熱交換器および第１熱交換器をこの順番に通ってもよい。
　以上の構成によると、本態様の深冷分離装置は、蒸発器で液体酸素を蒸発させるための熱源として空気を利用し得るとともに、精留塔に供給される空気を液化温度にまで冷却するための冷熱として、水素の顕熱と液体酸素の蒸発熱とを利用し得る。
　ここで、第１熱交換器で予備冷却された空気を蒸発器に供給する理由は、以下の通りである。
　仮に、空気を第１熱交換器で予備冷却せずに蒸発器に供給する場合、空気の温度と液体酸素の温度との温度差が大きい。この場合、上記温度差によって蒸発器を構成する流路部材が損傷する可能性がある。
　しかし、本態様の深冷分離装置は、第１熱交換器で予備冷却された空気を蒸発器に供給することで、空気を第１熱交換器で予備冷却せずに蒸発器に供給する場合に比べて、蒸発器を構成する流路部材が損傷する可能性を低減することができる。
　また、仮に、適温の水素を蒸発器に供給する場合、蒸発器における流路部材の溶接部、継手部などから液体酸素中に水素が漏洩しないように当該流路部材を適切にメンテナンスする必要がある。
　しかし、本態様の深冷分離装置は、空気経路を介して第１熱交換器で予備冷却された空気を蒸発器に供給することで、水素を蒸発器に供給する場合に比べて、蒸発器を構成する流路部材のメンテナンス負担を軽減することができる。
　本開示の第５態様の深冷分離装置は、第１態様の深冷分離装置において、凝縮器で凝縮された液体窒素が外部に取り出されてもよい。
　かかる構成によると、本態様の深冷分離装置は、深冷分離装置から液体窒素を取り出す際に、精留塔からの窒素ガスを液化するための専用の熱交換器が不要となる。
１０　　：熱交換器
１０Ａ　：熱交換器
１０Ｂ　：熱交換器
１１　　：精留塔
１２　　：凝縮器
１３　　：液体窒素貯蔵タンク
１４　　：蒸発器
１４Ａ　：蒸発タンク
１４Ｂ　：熱交換器
２０　　：空気経路
２１　　：水素経路
１００　：深冷分離装置

Claims (5)

  1. 　空気供給源から供給される空気と冷媒とを熱交換して前記空気を冷却する熱交換器と、
    　冷却後の前記空気が流入し、前記空気を窒素と酸素とに分離する単塔で構成された精留塔と、
    　液体水素供給源から供給される水素の冷熱により前記精留塔で分離された窒素ガスを凝縮させる凝縮器と、
    　前記精留塔で分離された液体酸素を蒸発させる蒸発器と、を備え、
    　前記凝縮器で凝縮された液体窒素および前記蒸発器で蒸発された酸素ガスは、前記精留塔に供給される深冷分離装置。
  2. 　前記熱交換器は、前記冷媒として前記水素の冷熱により前記空気を予備冷却する第１熱交換器と、前記冷媒として前記水素の冷熱により前記予備冷却された空気をさらに冷却する第２熱交換器と、を備え、
    　前記蒸発器は、前記第１熱交換器で予備冷却された前記空気の熱を回収することにより前記精留塔で分離された液体酸素を蒸発させる請求項１に記載の深冷分離装置。
  3. 　前記空気供給源から供給される空気が流れる空気経路を備え、
    　前記空気経路は、前記第１熱交換器、前記蒸発器および前記第２熱交換器をこの順番に通る請求項２に記載の深冷分離装置。
  4. 　前記液体水素供給源から供給される水素が流れる水素経路を備え、
    　前記水素経路は、前記凝縮器、前記第２熱交換器および前記第１熱交換器をこの順番に通る請求項２または３に記載の深冷分離装置。
  5. 　前記凝縮器で凝縮された液体窒素が外部に取り出される請求項１に記載の深冷分離装置。
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