(57)【要約】【課題】  動力消費量を低減しつつ、酸素と高純窒素を効率よく併産することができる空気分離装置を提供する。【解決手段】  圧縮、精製、冷却した原料空気を熱交換型蒸留器１５の空気蒸留通路１５ａで蒸留して窒素濃縮物と酸素富化液化空気とに分離し、窒素濃縮物を高純窒素塔１６で蒸留して高純窒素と低純液化窒素とに分離し、熱交換型蒸留器の蒸留物及び低純液化窒素を蒸留塔１８で蒸留して高純窒素と粗液化酸素とに分離し、粗液化酸素を熱交換型蒸留器１５の酸素蒸留通路１５ｂで蒸留して液化酸素を得る。【選択図】  図１
2006349319.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料空気を圧縮する原料空気圧縮機と、圧縮された原料空気を冷却する主熱交換器と、冷却された原料空気を酸素蒸留通路と相互に熱交換する空気蒸留通路で蒸留して上部の窒素濃縮物と下部の酸素富化液化空気とに分離するとともに前記酸素蒸留通路で粗酸素を蒸留して下部に酸素が濃縮された液化酸素を生成する熱交換型蒸留器と、前記熱交換型蒸留器で蒸留された蒸留物を更に蒸留する蒸留塔とを備えた空気液化分離装置において、高純窒素塔と、窒素凝縮器と、前記空気蒸留通路の上部に分離した前記窒素濃縮物を前記高純窒素塔の下部に導入する経路と、高純窒素塔の上部に生成した高純窒素を前記窒素凝縮器に導入する経路と、窒素凝縮器で凝縮された高純液化窒素の一部を前記高純塔の上部に還流液として導入する経路と、高純液化窒素の残部を前記蒸留塔の上部に還流液として導入する経路と、高純窒素塔の下部に生成した低純液化窒素を前記蒸留塔の中部に導入する経路とを備え、前記高純窒素塔は、前記窒素濃縮物と高純液化窒素とを蒸留することによって塔上部に窒素が濃縮された高純窒素を、塔下部に窒素濃度が低い低純液化窒素をそれぞれ生成するものであり、前記窒素凝縮器は、前記高純窒素を凝縮させて高純液化窒素を得るものであり、前記蒸留塔は、前記高純液化窒素と前記低純液化窒素と前記酸素富化液化空気とを蒸留して、上部に窒素が濃縮された低圧高純窒素を、下部に酸素が濃縮された前記粗酸素をそれぞれ生成するものであることを特徴とする空気分離装置。
【請求項２】
前記高純窒素塔の上部に生成した高純窒素を、前記主熱交換器を通して回収する経路を備えていることを特徴とする請求項１記載の空気分離装置。
【請求項３】
前記窒素凝縮器は、前記酸素富化液化空気の一部を冷却源として導入する経路を備えていることを特徴とする請求項１記載の空気分離装置。
【請求項４】
前記窒素凝縮器は、前記粗酸素を冷却源として導入する経路を備えていることを特徴とする請求項１記載の空気分離装置。
【請求項５】
前記原料空気圧縮機で圧縮された原料空気の一部を更に圧縮する二次空気圧縮機と、該二次空気圧縮機で圧縮した二次圧縮原料空気を熱源として前記液化酸素を気化させる液化酸素気化手段とを備えていることを特徴とする請求項１記載の空気分離装置。
【請求項６】
前記液化酸素気化手段は、液化酸素ポンプによって昇圧された液化酸素を気化させるものであることを特徴とする請求項５記載の空気分離装置。
【請求項７】
前記高純窒素塔の上部から導出した窒素の一部を圧縮する窒素圧縮機と、該窒素圧縮機で圧縮された圧縮窒素を断熱膨張させる窒素膨張タービンとを備え、前記窒素圧縮機と前記窒素膨張タービンとが同軸で連結されていることを特徴とする請求項１記載の空気分離装置。
【請求項８】
前記空気蒸留通路で分離した前記窒素濃縮物の一部を圧縮する窒素濃縮物圧縮機と、該窒素濃縮物圧縮機で圧縮された圧縮窒素濃縮物を断熱膨張させる窒素濃縮物膨張タービンとを備え、前記窒素濃縮物圧縮機と前記窒素濃縮物膨張タービンとが同軸で連結されていることを特徴とする請求項１記載の空気分離装置。
【請求項９】
圧縮された原料空気の一部をさらに二次圧縮する二次空気圧縮機と、該二次空気圧縮機で圧縮された二次圧縮原料空気を断熱膨張させる空気膨張タービンとを備え、前記二次空気圧縮機と前記空気膨張タービンとが同軸で連結されていることを特徴とする請求項１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、空気分離装置に関し、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分離装置に関する。
【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には、高圧塔と低圧塔とからなる複式精留塔が使用されている。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、原料空気圧縮機の動力を低減すること、すなわち、原料空気圧縮機の吐出圧力を低くする必要がある。
【０００３】
原料空気圧縮機の動力消費量の低減に関しては、近年、熱交換型蒸留器を利用した空気分離方法が提案されている。例えば、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を使用し、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通路では、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し、通路上部から窒素に富む気相生成物を採取し、通路下部から中純度の製品酸素（酸素濃度８５〜９９％）を得る空気分離方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
また、熱交換型蒸留器の第１通路で原料空気を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、その一部を第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空気分離方法も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
さらに、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て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、これにより、前述の両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ようにした空気分離方法も提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
【特許文献１】特開平９−１７０８７５号公報
【特許文献２】特開平８−２４７６４７号公報
【特許文献３】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】
【０００６】
しかし、熱交換型蒸留器を使用して高純窒素（例えば、酸素含有量１ｐｐｍ）を製造するためには、酸素蒸留通路との温度差を確保するために原料空気の圧力を高くする必要があり、熱交換型蒸留器による動力削減の効果が失われてしまう。しかも、高純窒素を得るためには、熱交換型蒸留器の大型化を招くという不都合もあった。したがって、酸素と高純窒素とを併産する場合は、複式精留塔を用いたプロセスに比べて動力の削減効果は得られず、装置も大型化するという問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、熱交換型蒸留器を使用して動力消費量を低減するとともに、装置の大型化も抑えながら酸素と高純窒素とを効率よく併産することができる空気分離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】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の空気分離装置は、原料空気を圧縮する原料空気圧縮機と、圧縮された原料空気を冷却する主熱交換器と、冷却された原料空気を酸素蒸留通路と相互に熱交換する空気蒸留通路で蒸留して上部の窒素濃縮物と下部の酸素富化液化空気とに分離するとともに前記酸素蒸留通路で粗酸素を蒸留して下部に酸素が濃縮された液化酸素を生成する熱交換型蒸留器と、前記熱交換型蒸留器で蒸留された蒸留物を更に蒸留する蒸留塔とを備えた空気液化分離装置において、高純窒素塔と、窒素凝縮器と、前記空気蒸留通路の上部に分離した前記窒素濃縮物を前記高純窒素塔の下部に導入する経路と、高純窒素塔の上部に生成した高純窒素を前記窒素凝縮器に導入する経路と、窒素凝縮器で凝縮された高純液化窒素の一部を前記高純塔の上部に還流液として導入する経路と、高純液化窒素の残部を前記蒸留塔の上部に還流液として導入する経路と、高純窒素塔の下部に生成した低純液化窒素を前記蒸留塔の中部に導入する経路とを備え、前記高純窒素塔は、前記窒素濃縮物と高純液化窒素とを蒸留することによって塔上部に窒素が濃縮された高純窒素を、塔下部に窒素濃度が低い低純液化窒素をそれぞれ生成するものであり、前記窒素凝縮器は、前記高純窒素を凝縮させて高純液化窒素を得るものであり、前記蒸留塔は、前記高純液化窒素と前記低純液化窒素と前記酸素富化液化空気とを蒸留して、上部に窒素が濃縮された低圧高純窒素を、下部に酸素が濃縮された前記粗酸素をそれぞれ生成するものであることを特徴としている。
【０００９】
さらに、本発明の空気分離装置は、前記高純窒素塔の上部に生成した高純窒素を前記主熱交換器を通して回収する経路を備えていること、前記窒素凝縮器は前記酸素富化液化空気の一部を冷却源として導入する経路を備えていること、前記窒素凝縮器は前記粗酸素を冷却源として導入する経路を備えていること、前記原料空気圧縮機で圧縮された原料空気の一部を更に圧縮する二次空気圧縮機と、該二次空気圧縮機で圧縮した二次圧縮原料空気を熱源として前記液化酸素を気化させる液化酸素気化手段とを備えていること、前記液化酸素気化手段は、液化酸素ポンプによって昇圧された液化酸素を気化させるものであることを特徴としている。
【００１０】
また、前記高純窒素塔の上部から導出した窒素の一部を圧縮する窒素圧縮機と、該窒素圧縮機で圧縮された圧縮窒素を断熱膨張させる窒素膨張タービンとを備え、前記窒素圧縮機と前記窒素膨張タービンとが同軸で連結されていること、前記空気蒸留通路で分離した前記窒素濃縮物の一部を圧縮する窒素濃縮物圧縮機と、該窒素濃縮物圧縮機で圧縮された圧縮窒素濃縮物を断熱膨張させる窒素濃縮物膨張タービンとを備え、前記窒素濃縮物圧縮機と前記窒素濃縮物膨張タービンとが同軸で連結されていること、圧縮された原料空気の一部をさらに二次圧縮する二次空気圧縮機と、該二次空気圧縮機で圧縮された二次圧縮原料空気を断熱膨張させる空気膨張タービンとを備え、前記二次空気圧縮機と前記空気膨張タービンとが同軸で連結されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の空気分離装置によれば、熱交換型蒸留器、高純窒素塔、窒素凝縮器及び蒸留塔を用いることにより、熱交換型蒸留器や熱交換型蒸留器と蒸留塔とを用いた従来の装置より少ない動力費で高純度の製品窒素（例えば、酸素含有量１ｐｐｍ）を採取することができる。また、複式蒸留塔を用いたプロセスと比較して動力を大幅に削減できる。さらに、高純窒素塔上部の高純窒素を回収することにより、中圧の高純窒素を採取することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は本発明の空気分離装置の第１形態例を示す系統図である。この空気分離装置は、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及び製品酸素を得るための酸素蒸留通路１５ｂを備えた熱交換型蒸留器１５と、空気蒸留通路１５ａを経てその上部から取り出された蒸留物をさらに蒸留するための高純窒素塔１６及び窒素凝縮器１７と、空気蒸留通路１５ａの下部から取り出された蒸留物をさらに蒸留する蒸留塔１８と、温流体を冷流体によって過冷却状態にする過冷器１９と、装置の運転に必要な寒冷を得るための膨張タービン２０及び窒素圧縮機２１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２２に収納されている。
【００１３】
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。
【００１４】
大気等の原料空気ＲＡが原料空気圧縮機１１で所定圧力、例えば約３６０ｋＰａ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る。精製された原料空気は、経路５１を通って主熱交換器１４で製品低圧窒素、液化酸素等の低温流体と熱交換を行うことによって約−１７９℃に冷却され、経路５２を経て空気蒸留通路１５ａの下部に導入される。この原料空気は、空気蒸留通路１５ａ内を上昇する過程で酸素蒸留通路１５ｂ内の流体（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。
【００１５】
空気蒸留通路１５ａ上部の窒素濃縮物（例えば、窒素濃度が約９５％、酸素含有率約５％）は、空気蒸留通路１５ａから経路５３に導出されて高純窒素塔１６の下部に導入され、窒素凝縮器１７で液化して経路５４から導入される高純液化窒素を還流液として蒸留され、上部に高純窒素（例えば酸素含有率１ｐｐｍ）が濃縮される。また、窒素凝縮器１７で液化した高純液化窒素の一部は、経路５５を経て過冷器１９に導入され、冷却された後に経路５６の減圧弁５６Ｖで減圧され、蒸留塔１８の上部に還流液として導入される。
【００１６】
高純窒素塔１６での蒸留により、塔内を下降する液相中の窒素濃度が低くなり、下部に低純液化窒素（例えば酸素含有率７％）が得られる。この低純液化窒素は、高純窒素塔１６の下部から導出され、経路５７を経て過冷器１９を通過し、経路５８の減圧弁５８Ｖで減圧されて蒸留塔１８の中上部に供給される。
【００１７】
一方、空気蒸留通路１５ａでの蒸留により、流路を下降する液相中の窒素濃度が低くなり、下部に酸素富化液化空気が得られる。この酸素富化液化空気は、空気蒸留通路１５ａの下部から導出され、経路５９を経て過冷器１９を通過した後、経路６０と経路６１とに分岐する。経路６０に分岐した酸素富化液化空気は、減圧弁６０Ｖで減圧されて蒸留塔１８の中下部に導入される。経路６１に分岐した酸素富化液化空気は、減圧弁６１Ｖで減圧された後、窒素凝縮器１７に冷却源として導入され、前述の高純窒素を液化させるとともに自らは蒸発して経路６２に導出され、酸素蒸留通路１５ｂの上部から経路６３に導出された粗酸素ガスと合流し、蒸留塔１８の下部に上昇ガスとして導入される。
【００１８】
前記蒸留塔１８では、上部から導入された高純液化窒素と、中上部から導入された低純液化窒素と、中下部から導入された酸素富化液化空気と、下部から導入された粗酸素ガスとが蒸留され、その過程で気相中に窒素が濃縮されるとともに、液相中に酸素が濃縮される。上部に濃縮された窒素ガス（例えば酸素含有率１ｐｐｍ）は、蒸留塔１８から経路６４に導出され、過冷器１９、経路６５を通って主熱交換器１４に導入され、ここで加熱された後、製品低圧高純窒素ＧＮとして回収される。また、蒸留塔１８の中上部からは、低純窒素ガスが経路６６に導出され、過冷器１９、経路６７を通って主熱交換器１４に導入され、ここで加熱された後、製品低圧低純窒素ＷＧ１として回収される。
【００１９】
一方、蒸留塔１８の下部からは、粗液化酸素が経路６８に導出されて酸素蒸留通路１５ｂに導入される。この粗液化酸素は、酸素蒸留通路１５ｂを下降する過程で、空気蒸留通路１５ａの原料空気と熱交換し、加熱されつつ蒸留されることによって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。これにより、上部の粗酸素ガスと、下部の液化酸素（例えば酸素濃度９５％）とが得られる。粗酸素ガスは、酸素蒸留通路１５ｂの上部から前記経路６３に導出され、経路６２の酸素富化空気と合流して蒸留塔１８の下部に導入される。液化酸素は、酸素蒸留通路１５ｂの下部から経路６９に導出され、主熱交換器１４で加熱された後に製品酸素ＧＯとして回収される。
【００２０】
また、高純窒素塔１６の中上部からは、中圧窒素ガスが経路７０に導出され、主熱交換器１４で加熱された後に製品中圧窒素ＭＧＮ（例えば圧力３００ｋＰａ、窒素濃度９９％）として回収される。この製品中圧窒素ＭＧＮの一部は、経路７１に分岐して窒素圧縮機２１で所定圧力に昇圧され、主熱交換器１４で中間温度まで冷却されてから膨張タービン２０で膨張することにより、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によって同軸に連結した前記窒素圧縮機２１を駆動している。膨張後の窒素ガスは経路７２を通って主熱交換器１４で加熱された後、製品低圧低純窒素ＷＧ２として回収される。
【００２１】
このように形成された空気分離装置は、熱交換型蒸留器１５を使用することにより、空気蒸留通路１５ａと酸素蒸留通路１５ｂ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１１の吐出圧力を低く設定できる。例えば、複式精留塔を用いた場合の約５４０ｋＰａを、本形態例では約３６０ｋＰａとすることができ、約１９％の省エネルギー化が可能となり、装置の運転コストを大幅に低減できる。さらに、高純窒素塔１６を設けたことにより、動力消費量を低減しながら酸素と同時に高純窒素を製品として回収することができる。
【００２２】
前記製品酸素ＧＯを高圧で回収する場合には、経路６９に液化酸素ポンプ２３を設置し、酸素蒸留通路１５ｂから経路６９に導出した液化酸素を液化酸素ポンプ２３で加圧することにより、主熱交換器１４から高圧の製品酸素ＧＯを回収することができる。
【００２３】
このとき、主熱交換器１４における加圧液化酸素の加熱源として、精製器１３で精製された原料空気の一部を経路５１から経路７３に分岐し、二次空気圧縮機２４で昇圧した昇圧空気を用いることにより、原料空気の全量を加圧液化酸素を加熱するために必要な圧力に圧縮する場合に比べて動力費を削減できる。この場合、昇圧空気と加圧液化酸素との熱交換は、主熱交換器１４とは別の熱交換器で行うこともできる。加圧液化酸素との熱交換によって冷却された昇圧空気は、経路７４の減圧弁７４Ｖで減圧させた後、前記経路５９の酸素富化液化空気に合流させることができる。
【００２４】
また、製品中圧窒素ＭＧＮや空気膨張タービン３２で膨張させるガスは、空気蒸留通路１５ａから経路５３に導出した窒素濃縮物の一部を経路７５に分岐したものであってもよい。さらに、高純窒素塔１６の上部から高純窒素を導出して窒素凝縮器１７に導入する経路７６から経路７０ａを分岐させて前記経路７０に接続することにより、高純窒素塔１６上部の高純窒素を経路７０から主熱交換器１４を通して中圧高純窒素として回収することができる。また、高純窒素塔１６の下部から経路５７に導出された低純液化窒素の一部を、経路７７に分岐して空気蒸留通路１５ａの上部に導入することもできる。
【００２５】
なお、高純窒素塔１６は、空気蒸留通路１５ａと一体的に形成し、所定の位置に前記各経路をそれぞれ接続して高純窒素蒸留通路を形成することにより、該通路の上部から中圧高純窒素を得ることができる。同様に、蒸留塔１８は、酸素蒸留通路１５ｂと一体的に形成し、所定の位置に前記各経路をそれぞれ接続して蒸留通路を形成することにより、該通路の上部から低圧高純窒素を、該通路の下部から粗液化酸素をそれぞれ得ることができる。
【００２６】
図２は本発明の空気分離装置の第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分離装置における構成要素と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。
【００２７】
本形態例に示す空気分離装置は、前記第１形態例に示した空気分離装置と同様の、原料空気圧縮機１１、空気予冷器１２、精製器１３、主熱交換器１４、高純窒素塔１６、窒素凝縮器１７、蒸留塔１８、過冷器１９を備えており、前記熱交換型蒸留器１５に代えて、空気凝縮通路３１ａ、空気蒸留通路３１ｂ及び酸素蒸留通路３１ｃを有する熱交換型蒸留器３１を設置しており、寒冷を発生させる空気膨張タービン３２は、原料空気を空気膨張タービン３２で駆動される第１二次空気圧縮機３３で昇圧した昇圧空気を駆動源としている。さらに、熱交換型蒸留器３１から導出した液化酸素を主熱交換器１４に導入する前に蒸発させる液化酸素気化手段としての酸素蒸発器３４を備えるとともに、この酸素蒸発器３４の液化酸素蒸発用加熱源となる昇圧空気を得るための第２二次空気圧縮機３５を備えている。
【００２８】
大気等の原料空気ＲＡが原料空気圧縮機１１で所定圧力、例えば約３５０ｋＰａ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る。精製器１３から経路５１に導出された原料空気の一部は、経路８１に分岐して第１二次空気圧縮機３３で昇圧され、主熱交換器１４を経て空気膨張タービン３２で膨張し、装置の運転に必要な寒冷を発生させた後、経路８２を通って蒸留塔１８の中下部に導入される。経路５１の原料空気は、更にその一部が経路８３に分岐し、第２二次空気圧縮機３５で昇圧されて主熱交換器１４で約ー１７７℃に冷却された後、経路８４を通って酸素蒸発器３４に液化酸素の加熱源として導入され、液化酸素を蒸発させるとともに全量が液化する。
【００２９】
経路５１の原料空気の残部は、主熱交換器１４で約−１８０℃に冷却された後、経路５２を経て空気凝縮通路３１ａの上部に導入され、空気凝縮通路３１ａ内を下降しながら酸素蒸留通路３１ｃ内の流体（粗酸素）と熱交換して冷却されることにより一部が凝縮する。空気凝縮通路３１ａ下部の気液二相の空気は、経路８５を通って気液分離器３６に入り、分離した液相部は経路８６に導出され、気相部は経路８７を通って空気蒸留通路３１ｂの下部に導入される。
【００３０】
空気蒸留通路３１ｂに導入された空気は、酸素蒸留通路３１ｃ内の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。空気蒸留通路３１ｂ上部の窒素濃縮物（例えば窒素濃度が約９６％、酸素含有率約４％）は、経路５３に導出されて高純窒素塔１６の下部に導入される。高純窒素塔１６では、窒素凝縮器１７で液化して経路５４から導入される高純液化窒素を還流液として窒素濃縮物の蒸留が行われ、上部に高純窒素（例えば酸素含有率１ｐｐｍ）が濃縮される。
【００３１】
高純窒素塔１６の上部から経路７６に導出された高純窒素は、その一部が経路７０に分岐し、主熱交換器１４で加熱された後に製品中圧窒素ＭＧＮとして回収され、残りの高純窒素は窒素凝縮器１７に導入されて液化する。窒素凝縮器１７で液化した高純液化窒素の一部は、経路５５を経て過冷器１９に導入され、冷却された後に経路５６の減圧弁５６Ｖで減圧され、蒸留塔１８の上部に還流液として導入される。
【００３２】
また、高純窒素塔１６での蒸留過程で下降する液相中の窒素濃度が低くなり、下部に低純液化窒素（例えば酸素含有率６％）が得られる。この低純液化窒素は、高純窒素塔１６の下部から導出され、経路５７を経て過冷器１９を通過し、経路５８の減圧弁５８Ｖで減圧されて蒸留塔１８の中上部に供給される。
【００３３】
空気蒸留通路３１ｂの下部から経路８８に導出された酸素富化液化空気は、前記酸素蒸発器３４で液化して経路８９に導出され、減圧弁８９Ｖで減圧した液化空気、及び、前記気液分離器３６で分離して経路８６に導出された酸素富化液化空気と合流し、経路９０を通って過冷器１９を通過した後、経路６０と経路６１とに分岐する。経路６０に分岐した酸素富化液化空気は、減圧弁６０Ｖで減圧されて蒸留塔１８の中下部に供給される。経路６１に分岐した酸素富化液化空気は、減圧弁６１Ｖで減圧された後、窒素凝縮器１７に冷却源として導入され、高純窒素を液化させるとともに自らは蒸発して経路６２に導出され、酸素蒸留通路３１ｃの上部から経路６３に導出された粗酸素ガスと合流し、蒸留塔１８の下部に上昇ガスとして導入される。
【００３４】
蒸留塔１８では、上部から導入された高純液化窒素と、中上部から導入された低純液化窒素と、中下部から導入された空気と、中下部から導入された酸素富化液化空気と、下部から導入された粗酸素ガスとが蒸留され、その過程で気相中に窒素が濃縮されるとともに、液相中に酸素が濃縮される。上部に濃縮された窒素ガス（例えば酸素含有率１ｐｐｍ）は、蒸留塔１８から経路６４に導出され、過冷器１９、経路６５、主熱交換器１４を通って製品低圧高純窒素ＧＮとして回収される。また、蒸留塔１８の中上部からは、低純窒素ガスが経路６６に導出され、過冷器１９、経路６７、主熱交換器１４を通って製品低圧低純窒素ＷＧ１として回収される。
【００３５】
さらに、蒸留塔１８の下部からは、粗液化酸素が経路６８に導出されて酸素蒸留通路３１ｃに導入される。この粗液化酸素は、酸素蒸留通路３１ｃを下降する過程で、空気凝縮通路３１ａ及び空気蒸留通路３１ｂ内の空気と熱交換し、加熱されつつ蒸留されることによって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。これにより、上部の粗酸素ガスと、下部の液化酸素（例えば酸素濃度９５％）とが得られる。粗酸素ガスは、酸素蒸留通路３１ｃの上部から前記経路６３に導出され、経路６２の酸素富化空気と合流して蒸留塔１８の下部に導入される。
【００３６】
液化酸素は、酸素蒸留通路３１ｃの下部から経路６９に導出され、酸素蒸発器３４で蒸発した後、主熱交換器１４で加熱されて製品酸素ＧＯとして回収される。また、経路６９に液化酸素ポンプ２３を設置し、液化酸素を加圧してから酸素蒸発器３４に導入することにより、製品酸素ＧＯを高圧で回収することができる。
【００３７】
本形態例に示す空気分離装置においても、熱交換型蒸留器３１を用いて原料空気及び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ことにより、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して製品酸素を回収することができるとともに、空気蒸留通路３１ｂから導出した窒素濃縮物を高純窒素塔１６で更に蒸留することにより、高純窒素を併せて回収することができる。原料空気圧力は、例えば、複式精留塔を用いた場合の約５４０ｋＰａに対して本形態例では約３５０ｋＰａとすることができ、約２０％の省エネルギー化が可能となる。
【００３８】
図３及び図４は、本発明の空気分離装置における窒素凝縮器の他の設置例をそれぞれ示す要部の系統図である。図３に示す窒素凝縮器４１は、経路７６から導入される高純窒素を冷却して液化させるための冷却源として、蒸留塔１８の下部から経路６８に導出した粗液化酸素を使用した例を示している。図４に示す窒素凝縮器４２は、経路７６の高純窒素が導入される熱交換器を蒸留塔１８の下部に収納し、蒸留塔１８の下部に濃縮された粗液化酸素を冷却源として使用した例を示している。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の空気分離装置の第１形態例を示す系統図である。
【図２】本発明の空気分離装置の第２形態例を示す系統図である。
【図３】本発明の空気分離装置における窒素凝縮器の他の設置例を示す要部の系統図である。
【図４】本発明の空気分離装置における窒素凝縮器の更に他の設置例を示す要部の系統図である。
【符号の説明】
【００４０】
１１…原料空気圧縮機、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…高純窒素塔、１７…窒素凝縮器、１８…蒸留塔、１９…過冷器、２０…膨張タービン、２１…窒素圧縮機、２２…保冷槽、２３…液化酸素ポンプ、２４…二次空気圧縮機、３１…熱交換型蒸留器、３１ａ…空気凝縮通路、３１ｂ…空気蒸留通路、３１ｃ…酸素蒸留通路、３２…空気膨張タービン、３３…第１二次空気圧縮機、３４…酸素蒸発器、３５…第２二次空気圧縮機、３６…気液分離器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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