(57)【要約】【課題】  熱交換型蒸留器及び混合塔を用いて動力消費量を更に低減することができる空気液化分離方法及び装置を提供する。【解決手段】  圧縮、精製、冷却した原料空気を熱交換型蒸留器の空気蒸留通路に導入して窒素濃縮物と酸素富化空気とを得る工程と、酸素富化空気を蒸留塔で蒸留して低圧窒素と粗酸素とを得る工程と、低圧窒素を製品低圧窒素として採取する工程と、粗酸素を熱交換型蒸留器の酸素蒸留通路に導入して液化酸素を得る工程と、液化酸素を加圧後に混合塔に導入して原料空気の一部と気液接触させる工程と、混合塔から酸素ガスを製品として抜き出して採取する工程とを含む方法である。【選択図】  図１
2006275379.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮、精製、冷却した原料空気を低温蒸留することにより酸素と窒素とを製品として採取する空気液化分離方法において、前記原料空気を、互いに熱交換可能に形成された空気蒸留通路と酸素蒸留通路とを備えた熱交換型蒸留器の前記空気蒸留通路に導入して冷却しつつ蒸留し、窒素を濃縮した窒素濃縮物と酸素を濃縮した酸素富化空気とを得る工程と、前記酸素富化空気を蒸留塔に導入して蒸留することにより窒素を濃縮した低圧窒素と酸素が更に濃縮された粗酸素とを得る工程と、分離した低圧窒素を製品低圧窒素として採取する工程と、前記粗酸素を前記熱交換型蒸留器の前記酸素蒸留通路に導入し、前記空気蒸留通路の原料空気と熱交換させて原料空気を冷却するとともに粗酸素を加熱しつつ蒸留して酸素が濃縮された液化酸素を得る工程と、前記液化酸素を加圧後に混合塔に導入して前記原料空気の一部と気液接触させ、気化させて酸素ガスを得る工程と、前記酸素ガスを製品酸素ガスとして採取する工程とを含むことを特徴とする空気液化分離方法。
【請求項２】
前記空気蒸留通路で得られた前記窒素濃縮物を気液分離して窒素ガスと液化窒素とを得る工程と、得られた前記窒素ガスの一部を製品中圧窒素として採取する工程と、得られた前記液化窒素を前記蒸留塔に導入する工程とを有していることを特徴とする請求項１記載の空気分離方法。
【請求項３】
得られた前記窒素ガスの一部を圧縮する工程と、該圧縮後の窒素ガスを断熱膨張させる工程とを有し、断熱膨張時に発生する動力を、前記窒素ガスの一部を圧縮するための動力として使用することを特徴とする請求項２記載の空気分離方法。
【請求項４】
前記空気蒸留通路で得られた前記窒素濃縮物の一部を前記蒸留塔で得られた前記粗酸素と熱交換させ、液化させて液化窒素を得る工程と、得られた前記液化窒素を前記蒸留塔に導入する工程とを有していることを特徴とする請求項１記載の空気分離方法。
【請求項５】
前記空気蒸留通路で得られた前記窒素濃縮物の一部を前記空気蒸留通路で得られた前記酸素富化空気の一部と熱交換させ、液化させて液化窒素を得る工程と、得られた前記液化窒素を前記蒸留塔に導入する工程とを有していることを特徴とする請求項１記載の空気分離方法。
【請求項６】
前記空気蒸留通路で得られた前記窒素濃縮物の一部を圧縮する工程と、該圧縮後の窒素濃縮物を断熱膨張させる工程とを有し、断熱膨張時に発生する動力を、前記窒素濃縮物の一部を圧縮するための動力として使用することを特徴とする請求項１記載の空気分離方法。
【請求項７】
圧縮した前記原料空気の一部を更に圧縮する工程と、該圧縮後の原料空気を断熱膨張させる工程とを有し、断熱膨張時に発生する動力を、前記原料空気の一部を更に圧縮するための動力として使用することを特徴とする請求項１記載の空気分離方法。
【請求項８】
圧縮、精製、冷却した原料空気を低温蒸留することにより酸素と窒素とを製品として採取する空気液化分離装置において、熱交換型蒸留器、蒸留塔及び混合塔を備え、前記熱交換型蒸留器は、空気蒸留通路の流体と酸素蒸留通路の流体とが熱交換可能に形成され、前記空気蒸留通路において前記原料空気を冷却しつつ蒸留して窒素を濃縮した窒素濃縮物と酸素を濃縮した酸素富化空気を得るとともに、前記酸素蒸留通路において前記蒸留塔で得られた粗酸素を加熱しつつ蒸留して酸素が濃縮された液化酸素を得るものであり、前記蒸留塔は、前記空気蒸留通路で得られた前記酸素富化空気を蒸留して窒素を濃縮した低圧窒素と酸素が更に濃縮された前記粗酸素とを得るものであり、前記混合塔は、前記熱交換型蒸留器で生成した前記液化酸素と前記原料空気の一部とを気液接触させることにより気化して酸素ガスを得るものであり、さらに、前記熱交換型蒸留器で生成した前記液化酸素を加圧するポンプを備えるとともに、前記蒸留塔で得られた前記低圧窒素を製品低圧窒素として、前記混合塔で得られた酸素ガスを製品酸素ガスとして、それぞれ採取する製品採取経路を備えていることを特徴とする空気液化分離装置。
【請求項９】
前記空気蒸留通路で得られた窒素濃縮物を気液分離して窒素ガスと液化窒素とを得る気液分離器と、得られた前記液化窒素を前記蒸留塔に導入する経路と、得られた前記窒素ガスの一部を製品中圧窒素として採取する製品採取経路とを備えていることを特徴とする請求項８記載の空気分離装置。
【請求項１０】
前記空気蒸留通路で得られた窒素濃縮物の一部を前記蒸留塔で得られた前記粗酸素と熱交換させ、液化させて液化窒素を得る凝縮器と、得られた液化窒素を前記蒸留塔に導入する経路とを備えていることを特徴とする請求項８記載の空気分離装置。
【請求項１１】
前記空気蒸留通路で得られた窒素濃縮物の一部と前記空気蒸留通路で得られた前記酸素富化空気の一部とを熱交換させ、窒素濃縮物を液化させて液化窒素を得るとともに酸素富化空気を気化させる凝縮器と、得られた液化窒素を前記低圧塔に導入する経路と、気化した酸素富化空気を前記低圧塔に導入する経路とを備えていることを特徴とする請求項８記載の空気分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気液化分離方法及び装置に関し、詳しくは、圧縮、精製、冷却した原料空気を低温蒸留することにより酸素と窒素とを製品として採取する空気液化分離方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気を低温蒸留して窒素や酸素等を生産する方式として、高圧塔と低圧塔とからなる複式蒸留塔が従来から広く用いられている。空気分離を行う際の動力消費量を抑制し、製造コストを低減するためには、原料空気圧縮機及び酸素圧縮機の動力消費量を低減すること、すなわち、原料空気圧縮機の吐出圧力を低くし、酸素圧縮機の吸入圧力を高くする必要がある。
【０００３】
例えば、複式蒸留塔から得られた液化酸素を液化酸素ポンプで加圧した後に混合塔の上部から供給し、混合塔の下部から供給した圧縮原料空気の一部と気液接触させ、混合塔の上部から圧縮した原料空気と同程度の圧力で酸素ガスを採取することにより、酸素圧縮機の吸入圧力を高くして動力消費量を削減する方法が提案されている。しかしながら、この方法では、高圧塔と低圧塔の熱交換が効率的ではなく、原料空気圧縮機の動力消費量の低減に関しては未だ不十分である。
【０００４】
また、原料空気圧縮機の動力消費量の低減に関して、熱交換型蒸留器を用いて中純度の酸素（酸素濃度８５〜９９％）を製造する方法が提案されている。この方法では、熱交換型蒸留器として２つの通路を熱交換可能となるように配設したプレートフィン熱交換器が用いられており、原料空気を熱交換型蒸留器の第１通路で蒸留し、通路上部から低沸点の窒素に富む気相生成物を採取し、通路下部から高沸点の酸素に富む液相生成物を採取するとともに、第２通路で前記酸素に富む液相生成物を第１通路内の原料空気と熱交換させつつ蒸留することにより、通路下部から製品酸素を得るようにしている。
【０００５】
さらに、熱交換型蒸留器を用いた方法として、原料空気を第１通路で蒸留して通路上部から窒素に富む気相生成物を導出し、これを凝縮させたものの一部を第２通路に還流液として導入し、第２の通路の下部から酸素濃度７０％以上の製品を採取する方法も提案されている。
【０００６】
そして、これらの方法よりも原料空気圧縮機の吐出圧力を更に低く設定できる方法として、空気凝縮通路と窒素蒸留通路と酸素蒸留通路とを備えた熱交換型蒸留器と蒸留塔とを用い、原料空気と窒素富化空気と粗酸素との間の熱交換を効率よく行わせる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００３−２８５６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、動力消費量を低減するために原料空気圧縮機の吐出圧力を低くすると、原料空気を精製する過程での圧力も低くなってしまうため、原料空気精製設備等の前処理設備や主熱交換器が大型になるという問題がある。また、原料空気圧縮機の吐出圧力を低くすると、熱交換型蒸留器における窒素蒸留通路と酸素蒸留通路との温度差が小さくなり、必要な伝熱面積が大きくなるため、熱交換型蒸留器が大型になるという問題もある。
【０００８】
そこで本発明は、熱交換型蒸留器及び混合塔を用いて動力消費量を更に低減することができる空気液化分離方法及び装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の空気液化分離方法は、圧縮、精製、冷却した原料空気を低温蒸留することにより酸素と窒素とを製品として採取する空気液化分離方法において、前記原料空気を、互いに熱交換可能に形成された空気蒸留通路と酸素蒸留通路とを備えた熱交換型蒸留器の前記空気蒸留通路に導入して冷却しつつ蒸留し、窒素を濃縮した窒素濃縮物と酸素を濃縮した酸素富化空気とを得る工程と、前記酸素富化空気を蒸留塔に導入して蒸留することにより窒素を濃縮した低圧窒素と酸素が更に濃縮された粗酸素とを得る工程と、分離した低圧窒素を製品低圧窒素として採取する工程と、前記粗酸素を前記熱交換型蒸留器の前記酸素蒸留通路に導入し、前記空気蒸留通路の原料空気と熱交換させて原料空気を冷却するとともに粗酸素を加熱しつつ蒸留して酸素が濃縮された液化酸素を得る工程と、前記液化酸素を加圧後に混合塔に導入して前記原料空気の一部と気液接触させ、気化させて酸素ガスを得る工程と、前記酸素ガスを製品酸素ガスとして採取する工程とを含むことを特徴としている。
【００１０】
さらに、本発明の空気液化分離方法は、前記空気蒸留通路で得られた前記窒素濃縮物を気液分離して窒素ガスと液化窒素とを得る工程と、得られた前記窒素ガスの一部を製品中圧窒素として採取する工程と、得られた前記液化窒素を前記蒸留塔に導入する工程とを有していることを特徴とし、加えて、得られた前記窒素ガスの一部を圧縮する工程と、該圧縮後の窒素ガスを断熱膨張させる工程とを有し、断熱膨張時に発生する動力を、前記窒素ガスの一部を圧縮するための動力として使用することを特徴としている。
【００１１】
また、本発明の空気分離方法は、前記空気蒸留通路で得られた前記窒素濃縮物の一部を前記蒸留塔で得られた前記粗酸素と熱交換させ、液化させて液化窒素を得る工程と、得られた前記液化窒素を前記蒸留塔に導入する工程とを有していることを特徴としている。
【００１２】
さらに、本発明の空気分離方法は、前記空気蒸留通路で得られた前記窒素濃縮物の一部を前記空気蒸留通路で得られた前記酸素富化空気の一部と熱交換させ、液化させて液化窒素を得る工程と、得られた前記液化窒素を前記蒸留塔に導入する工程とを有していることを特徴としている。
【００１３】
加えて、前記空気蒸留通路で得られた前記窒素濃縮物の一部を圧縮する工程と、該圧縮後の窒素濃縮物を断熱膨張させる工程とを有し、断熱膨張時に発生する動力を、前記窒素濃縮物の一部を圧縮するための動力として使用することを特徴とし、さらに、圧縮した前記原料空気の一部を更に圧縮する工程と、該圧縮後の原料空気を断熱膨張させる工程とを有し、断熱膨張時に発生する動力を、前記原料空気の一部を更に圧縮するための動力として使用することを特徴としている。
【００１４】
また、本発明の空気液化分離装置は、圧縮、精製、冷却した原料空気を低温蒸留することにより酸素と窒素とを製品として採取する空気液化分離装置において、熱交換型蒸留器、蒸留塔及び混合塔を備え、前記熱交換型蒸留器は、空気蒸留通路の流体と酸素蒸留通路の流体とが熱交換可能に形成され、前記空気蒸留通路において前記原料空気を冷却しつつ蒸留して窒素を濃縮した窒素濃縮物と酸素を濃縮した酸素富化空気を得るとともに、前記酸素蒸留通路において前記蒸留塔で得られた粗酸素を加熱しつつ蒸留して酸素が濃縮された液化酸素を得るものであり、前記蒸留塔は、前記空気蒸留通路で得られた前記酸素富化空気を蒸留して窒素を濃縮した低圧窒素と酸素が更に濃縮された前記粗酸素とを得るものであり、前記混合塔は、前記熱交換型蒸留器で生成した前記液化酸素と前記原料空気の一部とを気液接触させることにより気化して酸素ガスを得るものであり、さらに、前記熱交換型蒸留器で生成した前記液化酸素を加圧するポンプを備えるとともに、前記蒸留塔で得られた前記低圧窒素を製品低圧窒素として、前記混合塔で得られた酸素ガスを製品酸素ガスとして、それぞれ採取する製品採取経路を備えていることを特徴としている。
【００１５】
さらに、本発明の空気液化分離装置は、前記空気蒸留通路で得られた窒素濃縮物を気液分離して窒素ガスと液化窒素とを得る気液分離器と、得られた前記液化窒素を前記蒸留塔に導入する経路と、得られた前記窒素ガスの一部を製品中圧窒素として採取する製品採取経路とを備えていることを特徴としている。
【００１６】
また、前記空気蒸留通路で得られた窒素濃縮物の一部を前記蒸留塔で得られた前記粗酸素と熱交換させ、液化させて液化窒素を得る凝縮器と、得られた液化窒素を前記蒸留塔に導入する経路とを備えていることを特徴としている。
【００１７】
さらに、前記空気蒸留通路で得られた窒素濃縮物の一部と前記空気蒸留通路で得られた前記酸素富化空気の一部とを熱交換させ、窒素濃縮物を液化させて液化窒素を得るとともに酸素富化空気を気化させる凝縮器と、得られた液化窒素を前記低圧塔に導入する経路と、気化した酸素富化空気を前記低圧塔に導入する経路とを備えていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、熱交換型蒸留器を用いることにより、従来の複式蒸留塔を用いる場合に比べて、空気蒸留通路と酸素蒸留通路との熱交換を効率的に行わせることができるため、原料空気圧縮機の吐出圧力を低くできる。加えて、混合塔を用いることにより、圧縮原料空気と同程度の圧力の製品酸素ガスを採取することができる。このため、従来の複式蒸留塔を用いた装置で本発明と同じ圧力の製品酸素ガスを得るための原料空気圧縮機と製品酸素圧縮機との合計動力消費量に比べて、本発明での原料空気圧縮機とポンプとの合計動力消費量を大幅に削減することができる。
【００１９】
また、従来の熱交換型蒸留器を用いた場合に比べて原料空気圧縮機の吐出圧力は高くなるが、混合塔を用いることによって圧縮原料空気と同程度の圧力の製品酸素ガスを採取することができる。このため、従来の熱交換型蒸留器を用いた装置で本発明と同じ圧力の製品酸素ガスを得るための原料空気圧縮機と製品酸素圧縮機との合計動力消費量に比べて、本発明での原料空気圧縮機とポンプとの合計動力消費量を削減することができる。
【００２０】
さらに、従来の熱交換型蒸留器を用いた空気分離装置に比べて原料空気圧縮機の吐出圧力が高くなるので、空気予冷器、精製器、主熱交換器等における流体の圧力が高くなるため、これらの前処理設備を小型化することができ、設備費を削減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は本発明の空気液化分離装置の第１形態例を示す系統図である。この空気液化分離装置は、原料空気を圧縮する原料空気圧縮機１１と、圧縮された原料空気の圧縮熱を取り除く空気予冷器１２と、空気予冷器１２を経た原料空気中の不純物（水分、二酸化炭素等）を除去する精製器１３と、精製器１３を経た原料空気を冷却する主熱交換器１４と、主熱交換器１４を経た原料空気を蒸留する空気蒸留通路１５ａを備えた熱交換型蒸留器１５と、熱交換型蒸留器１５を経た蒸留物をさらに蒸留する蒸留塔１６と、熱交換型蒸留器１５の酸素蒸留通路１５ｂを経た液状蒸留物を加圧するポンプ１７と、ポンプ１７で加圧された液状蒸留物と原料空気の一部とを気液接触させる混合塔１８と、ガス状物を断熱膨張させて寒冷を発生する膨張タービン１９と、温流体を冷流体によって過冷却状態にする２基の過冷器２１，２２と、前記膨張タービン１９に連結された昇圧機２３と、製品酸素ガスを加圧する酸素圧縮機２４とを主要構成機器とするものであって、低温流体が流れる機器及び経路は保冷槽２５に収納されている。
【００２２】
前記熱交換型蒸留器１５は、前記空気蒸留通路１５ａと前記酸素蒸留通路１５ｂとを備えており、両通路間で互いに熱交換可能な構造となっている。この熱交換型蒸留器１５の構造は任意であるが、プレートフィン式熱交換器を使用することができる。
【００２３】
次に、この空気液化分離装置に基づいて本発明の空気液化分離方法の第１形態例を説明する。まず、大気等の原料空気ＲＡは、原料空気圧縮機１１で所定圧力、例えば約４５０ｋＰａに圧縮され、空気予冷器１２で常温まで冷却された後、精製器１３において、原料空気中の水分や二酸化炭素等の不純物が吸着除去されて精製される。
【００２４】
精製された原料空気の一部は、経路５１と経路５２とに分岐し、経路５２に分岐した原料空気の一部は、熱交換器２６を経て前記昇圧機２３に導入され、所定圧力に昇圧される。昇圧後の原料空気は、予冷器２７、前記熱交換器２６で冷却された後、経路５３を通って保冷槽２５に入り、前記主熱交換器１４に導入されて中間温度まで冷却される。中間温度の原料空気は、前記膨張タービン１９で断熱膨張することによって装置の運転に必要な寒冷を発生するとともに、この断熱膨張時に発生した動力を、回転軸１９ａで連結した前記昇圧機２３を駆動する動力として使用し、エネルギーの削減を図っている。断熱膨張後の原料空気は、経路５４を通って前記蒸留塔１６の中下部に導入される。
【００２５】
一方、前記経路５１を流れる原料空気の本流は、前記主熱交換器１４を通過する際に戻りガスと熱交換することにより所定温度、例えば約−１７４℃に冷却される。冷却後の原料空気は、経路５５から経路５６と経路５７とに分岐し、経路５６の原料空気は、前記熱交換型蒸留器１５の空気蒸留通路１５ａの下部に導入される。また、経路５７に分岐した原料空気は、前記過冷器２１で更に冷却された後、経路５８を通って前記混合塔１８の下部に導入される。
【００２６】
前記空気蒸留通路１５ａに導入された原料空気は、隣接する酸素蒸留通路１５ｂを流れる冷流体（粗酸素）と熱交換して冷却されつつ蒸留され、気相中に窒素が濃縮されることにより、空気蒸留通路１５ａの上部に、窒素濃縮物、例えば窒素濃度が９７％以上、酸素含有量が３％以下の窒素濃縮物が生成するとともに、液相中の酸素濃度が上昇して空気蒸留通路１５ａの下部には酸素富化液化空気が生成する。
【００２７】
空気蒸留通路１５ａの上部から気液混合状態で経路６１に抜き出された窒素濃縮物は、気液分離器２８に導入されて気液分離される。気液分離器２８の下部に分離した液相部（液化窒素）は、経路６２に抜き出されて前記過冷器２２で冷却され、減圧弁２９で減圧された後、経路６３から前記蒸留塔１６の上部に還流液として導入される。また、気液分離器２８の上部に分離した気相部（中圧窒素ガス）は、経路６４に抜き出され、前記主熱交換器１４で原料空気と熱交換することにより常温付近まで温度上昇した後、製品中圧窒素採取経路６５から製品中圧窒素ＭＧＮとして採取される。
【００２８】
一方、前記空気蒸留通路１５ａの下部に生成した酸素富化液化空気は、液状で経路６６に抜き出されて前記過冷器２２で冷却され、減圧弁３０で減圧された後、経路６７から前記蒸留塔１６の中上部に導入される。
【００２９】
蒸留塔１６では、経路６３から塔上部に導入された液化窒素、経路６７から塔中上部に導入された酸素富化液化空気、前記熱交換型蒸留器１５の酸素蒸留通路１５ｂの上部から経路６８を経て塔下部に導入される粗酸素ガス等が蒸留され、その過程で気相中に窒素が濃縮するとともに液相中に酸素が濃縮し、塔上部の気相には窒素が濃縮したガス、例えば窒素濃度が９８％以上、酸素含有量が２％以下の低圧窒素ガスが生成し、塔下部の液相には酸素が濃縮した粗酸素が生成する。
【００３０】
蒸留塔１６の上部の窒素ガスは、経路６９に抜き出されて前記過冷器２２の冷却源となって温度上昇し、経路７０を通って主熱交換器１４で常温付近まで温度上昇した後、製品低圧窒素採取経路７１から製品低圧窒素ＧＮとして採取される。
【００３１】
また、蒸留塔１６の下部からは、液状の粗酸素が経路７２に抜き出されて熱交換型蒸留器１５の酸素蒸留通路１５ｂの上部に導入される。この液状の粗酸素は、酸素蒸留通路１５ｂを下降する過程で、空気蒸留通路１５ａを流れる原料空気と熱交換することによって加熱されつつ蒸留され、気相中の窒素濃度が高くなり、液相中の酸素濃度が高くなる。この蒸留操作により、酸素蒸留通路１５ｂの下部に酸素が濃縮され、例えば酸素濃度９７％以上の液化酸素が生成し、通路上部には窒素濃度が増加した粗酸素ガスが上昇する。この粗酸素ガスは、前記経路６８を通って前記蒸留塔１６の下部に上昇ガスとして導入される。前記液化酸素は、酸素蒸留通路１５ｂの下部から経路７３に抜き出されて前記ポンプ１７により加圧された後、前記過冷器２１を経て経路７４から前記混合塔１８の上部に導入される。
【００３２】
混合塔１８では、前記経路５８から導入された原料空気と、前記経路７４から導入された液化酸素とが気液接触を行う。この混合塔１８の中下部からは、経路７５に酸素富化液化空気が抜き出され、前記過冷器２１を経て減圧弁３１で減圧された後、経路７６から前記蒸留塔１６の中下部に導入される。さらに、混合塔１８の下部からは、経路７７に酸素富化液化空気が抜き出され、過冷器２１を経て減圧弁３２で減圧された後、経路７８から蒸留塔１６の中下部に導入される。
【００３３】
そして、混合塔１８の上部に生成した酸素ガス、例えば酸素濃度９５％の酸素ガスは、経路７９に抜き出されて主熱交換器１４に導入され、常温付近まで温度上昇した後、製品酸素採取経路８０から製品酸素ガスＧＯとして採取される。この製品酸素ガスは、必要に応じて前記酸素圧縮機２４で所定圧力、例えば５ＭＰａに昇圧されて経路８０ａから送出される。
【００３４】
このようにして製品窒素及び製品酸素を採取する方法において、空気蒸留通路１５ａと酸素蒸留通路１５ｂとを備えた熱交換型蒸留器１５を用いることにより、空気蒸留通路１５ａを流れる原料空気と、酸素蒸留通路１５ｂを流れる粗酸素との間の熱交換を効率よく行わせることができる。これにより、従来の複式蒸留塔を用いた方法に比べて、原料空気圧縮機１１で圧縮する原料空気の圧力を低く設定することができる。例えば、従来の方法において必要な原料空気圧力約５４０ｋＰａを、本形態例に示す方法では約４５０ｋＰａにできる。また、混合塔１８を併せて用いることにより、製品酸素ガスを原料空気と同程度の圧力、例えば４００ｋＰａ程度で採取することができる。
【００３５】
したがって、製品酸素ガスを４００ｋＰａで得る場合、複式蒸留塔を備えた従来の空気分離装置を用いた方法に対し、本形態例の方法では酸素圧縮機が不要となることから、約２０％の省エネルギー化が可能となる。また、５ＭＰａの製品酸素ガスを得る場合、本形態例でも酸素圧縮機２４を必要とするが、その吸入側の圧力が高く、酸素圧縮機２４の動力消費量が、従来法における酸素圧縮機の動力消費量に比べて極めて少ないため、原料空気圧縮機等を加えた全体の動力消費量において、従来法に比べて約１５％の省エネルギー化が可能となる。
【００３６】
また、熱交換型蒸留器を用いた従来の方法と比べた場合でも、製品酸素ガスの圧力が４００ｋＰａ、５ＭＰａのいずれにおいても約４％の省エネルギー化が図れる。さらに、原料空気圧力が高いので、精製器１３等の前処理設備の操作圧力を高く設定することができ、前処理設備を小型化することができる。
【００３７】
図２は、本発明の空気液化分離装置の第２形態例を示す系統図である。なお、以下の説明において、前記第１形態例で示した空気液化分離装置における構成要素と実質的に同一の構成要素には、それぞれ同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００３８】
前記第１形態例装置では、前記空気蒸留通路１５ａの上部から経路６１に気液混合状態の窒素濃縮物を抜き出して気液分離器２８に導入し、気液分離後の液状窒素濃縮物（液化窒素）を前記蒸留塔１６の上部に導入していたのに対し、本形態例装置では、空気蒸留通路１５ａの上部から経路８１にガス状の窒素濃縮物（中圧窒素ガス）のみを抜き出し、凝縮器４１で蒸留塔１６の下部から抜き出した粗酸素と熱交換させて液化し、液化した窒素濃縮物（液化窒素）を蒸留塔１６の上部に導入するようにしている。また、前記第１形態例装置では、圧縮、精製後の原料空気の一部を膨張タービン１９に導入していたのに対し、本形態例装置では、中圧窒素ガスの一部を膨張タービン４２に導入して寒冷を発生させるようにしている。
【００３９】
大気等の原料空気ＲＡは、原料空気圧縮機１１で所定圧力に圧縮され、空気予冷器１２で常温まで冷却された後、精製器１３で原料空気中の水分や二酸化炭素等の不純物が吸着除去されて精製される。精製された原料空気は、全量が経路５１を通り、前記主熱交換器１４で戻りガスと熱交換して所定温度に冷却された後、経路５５から経路５６と経路５７とに分岐し、経路５６の原料空気は、前記熱交換型蒸留器１５の空気蒸留通路１５ａの下部に導入される。また、経路５７に分岐した原料空気は、過冷器２１を通って経路５８から混合塔１８の下部に導入される。
【００４０】
前記空気蒸留通路１５ａに導入された原料空気は、隣接する酸素蒸留通路１５ｂを流れる冷流体（粗酸素）と熱交換して冷却されつつ蒸留され、気相中に窒素が濃縮されることにより、空気蒸留通路１５ａの上部に、窒素濃縮物、例えば窒素濃度が９７％以上、酸素含有量が３％以下の窒素濃縮物が生成するとともに、液相中の酸素濃度が上昇して空気蒸留通路１５ａの下部には酸素富化液化空気が生成する。
【００４１】
空気蒸留通路１５ａの上部から経路８１に抜き出されたガス状の窒素濃縮物(中圧窒素ガス)は、経路８２と経路８３とに分岐し、経路８３に分岐した中圧窒素ガスは、主熱交換器１４で原料空気と熱交換することにより常温付近まで温度上昇した後、製品中圧窒素採取経路６５から製品中圧窒素ＭＧＮとして採取される。
【００４２】
このとき、一部の中圧窒素ガスが経路８４に分岐し、熱交換器４３を経て昇圧機４４で所定圧力に昇圧される。昇圧後の中圧窒素ガスは、予冷器４５、前記熱交換器４３で冷却された後、経路８５を通って主熱交換器１４に再び導入されて中間温度まで冷却される。中間温度の中圧窒素ガスは、前記膨張タービン４２で断熱膨張することによって装置の運転に必要な寒冷を発生するとともに、このとき発生した動力は、回転軸４２ａで連結した前記昇圧機４４を駆動する動力として使用する。断熱膨張後の中圧窒素ガスは、再び主熱交換器１４に導入され、常温となって経路８６から排ガスＷＧとして排出される。
【００４３】
一方、前記経路８２に分岐した中圧窒素ガスは、前記凝縮器４１に導入され、蒸留塔１６の下部から経路７２ａに抜き出された液状の粗酸素と熱交換を行って凝縮することにより液化窒素となり、経路８７に抜き出された後、過冷器２２で冷却され、減圧弁２９で減圧され、経路６３から蒸留塔１６の上部に還流液として導入される。
【００４４】
また、前記空気蒸留通路１５ａの下部に生成した酸素富化液化空気は、経路６６に抜き出されて過冷器２２で冷却され、減圧弁３０で減圧されて経路６７から蒸留塔１６の中上部に導入される。
【００４５】
蒸留塔１６では、経路６３からの液化窒素、経路６７からの酸素富化液化空気、酸素蒸留通路１５ｂから経路６８を経て塔下部に導入される粗酸素ガス等が蒸留され、その過程で気相中に窒素が濃縮するとともに液相中に酸素が濃縮し、塔上部の気相には窒素が濃縮したガス、例えば窒素濃度が９８％以上、酸素含有量が２％以下の低圧窒素ガスが生成し、塔下部の液相には酸素が濃縮した粗酸素が生成する。
【００４６】
蒸留塔１６の上部の窒素ガスは、経路６９に抜き出されて過冷器２２を通り、経路７０を通って主熱交換器１４で常温付近まで温度上昇した後、製品低圧窒素採取経路７１から製品低圧窒素ＧＮとして採取される。
【００４７】
前記凝縮器４１で中圧窒素ガスと熱交換することによって気化した粗酸素ガスは、経路７２ｂから経路６８に合流して蒸留塔１６の下部に導入され、気化しなかった液状の粗酸素は、経路７２ｃを通って熱交換型蒸留器１５の酸素蒸留通路１５ｂの上部に導入される。この液状の粗酸素は、酸素蒸留通路１５ｂを下降する過程で、空気蒸留通路１５ａを流れる窒素富化空気と熱交換することによって加熱されつつ蒸留され、気相中の窒素濃度が高くなり、液相中の酸素濃度が高くなる。
【００４８】
この酸素蒸留通路１５ｂでの蒸留操作により、酸素蒸留通路１５ｂの下部に酸素が濃縮され、例えば酸素濃度９７％以上の液化酸素が生成し、通路上部には窒素濃度が増加した粗酸素ガスが上昇する。この粗酸素ガスは、前記経路６８を通って前記蒸留塔１６の下部に上昇ガスとして導入される。前記液化酸素は、酸素蒸留通路１５ｂの下部から経路７３に抜き出されてポンプ１７により加圧された後、過冷器２１を経て経路７４から前記混合塔１８の上部に導入される。
【００４９】
混合塔１８では、経路５８から導入された原料空気と、経路７４から導入された液化酸素とが気液接触を行う。この混合塔１８の中下部からは、経路７５に酸素富化液化空気が抜き出され、過冷器２１を経て減圧弁３１で減圧された後、経路７６から蒸留塔１６の中下部に導入される。さらに、混合塔１８の下部からは、経路７７に酸素富化液化空気が抜き出され、過冷器２１を経て減圧弁３２で減圧された後、経路７８から蒸留塔１６の中下部に導入される。
【００５０】
そして、混合塔１８の上部に生成した酸素ガス、例えば酸素濃度９５％の酸素ガスは、経路７９に抜き出されて主熱交換器１４に導入され、常温付近まで温度上昇した後、製品酸素採取経路８０から製品酸素ガスＧＯとして採取される。この製品酸素ガスは、必要に応じて酸素圧縮機２４で所定圧力、例えば５ＭＰａに昇圧されて経路８０ａから送出される。
【００５１】
本形態例に示す方法においても、前記第１形態例の方法と同様に、空気蒸留通路１５ａと酸素蒸留通路１５ｂとを備えた熱交換型蒸留器１５を用いるので、原料空気と粗酸素との間の熱交換を効率よく行わせることができ、複式蒸留塔を用いた従来の方法に比べて、原料空気圧縮機１１で圧縮する原料空気の圧力を低く設定することができる。また、混合塔１８を併せて用いることにより、原料空気と同程度の圧力で製品酸素ガスを採取できる。したがって、複式蒸留塔を用いた方法に比べて、原料空気圧縮機及び酸素圧縮機の動力消費量を大幅に削減することができる。
【００５２】
また、熱交換型蒸留器を用いた従来の方法と比べた場合でも、原料空気圧縮機等の動力消費量を削減することができる。さらに、精製器等の前処理設備の操作圧力を高く設定できるため、前処理設備をコンパクトにできる。加えて、空気蒸留通路の操作圧力を高く設定できることから、熱交換型蒸留器における空気蒸留通路と酸素蒸留通路との流体間温度差を大きくすることが可能であり、熱交換型蒸留器をコンパクトにできる。
【００５３】
なお、前記凝縮器４１で窒素濃縮物を液化させるための冷却源には、空気蒸留通路１５ａの下部から抜き出した酸素富化空気の一部を使用することもできる。さらに、本形態例において、中圧窒素ガスを使用した前記膨張タービン４２に代えて、前記第１形態例で示した原料空気を使用した膨張タービン１９を使用することも可能であり、第１形態例において、原料空気を使用した膨張タービン１９に代えて、中圧窒素ガスを使用した前記膨張タービン４２を使用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の空気液化分離装置の第１形態例を示す系統図である。
【図２】本発明の空気液化分離装置の第２形態例を示す系統図である。
【符号の説明】
【００５５】
１１…原料空気空気圧縮機、１２…空気予冷器、１３…精製器、１４…主熱交換器、１５…熱交換型蒸留器、１５ａ…空気蒸留通路、１５ｂ…酸素蒸留通路、１６…蒸留塔、１７…ポンプ、１８…混合塔、１９…膨張タービン、２１，２２…過冷器、２３…昇圧機、２４…酸素圧縮機、２５…保冷槽、２６…熱交換器、２７…予冷器、２８…気液分離器、２９…減圧弁、３０…減圧弁、３１…減圧弁、３２…減圧弁、４１…凝縮器、６５…製品中圧窒素採取経路、７１…製品低圧窒素採取経路、８０…製品酸素採取経路
【図１】
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【図２】
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