(57)【要約】【課題】  酸素ガス圧縮機や液酸ポンプを用いることなく、簡単な構成で制御も簡便であり、製品動力原単位を削減して、中圧製品窒素ガスと中圧製品酸素ガスとを採取できる空気分離方法および空気分離装置を提供する。【解決手段】  高圧塔５で原料空気を窒素ガス流体と第１酸素富化液化流体とに分離する第１分離工程と、補助塔７で第１酸素富化液化流体を空気組成流体と第２酸素富化液化流体とに分離する第２分離工程と、補助塔７下部の凝縮器１２における窒素ガス流体と第２酸素富化液化流体との第１間接熱交換工程と、低圧塔２０で第２酸素富化ガス流体を第３酸素富化ガス流体と液化酸素とに分離する第３分離工程と、空気昇圧機５１における空気組成流体の圧縮工程と、低圧塔２０下部の蒸化器２１における空気組成流体と液化酸素との第２間接熱交換工程と、製品窒素ガス回収工程と、製品酸素ガス回収工程とを含む空気分離方法。【選択図】        図１
2006284075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料空気を深冷液化分離して、中圧製品窒素ガスと中圧製品酸素ガスとを採取する空気分離方法において、
圧縮、精製、冷却した前記原料空気を高圧塔に導入し、塔上部の窒素ガス流体と、塔下部の第１酸素富化液化流体とに分離する第１分離工程と、
前記第１酸素富化液化流体を補助塔に導入し、塔上部の酸素組成がほぼ空気と同じである空気組成流体と、塔下部の第２酸素富化液化流体とに分離する第２分離工程と、
前記窒素ガス流体の一部と、前記第２酸素富化液化流体とを間接熱交換して、前記窒素ガス流体を凝縮して液化窒素にすると同時に、前記第２酸素富化液化流体を蒸発して第２酸素富化ガス流体にする第１間接熱交換工程と、
前記第２酸素富化ガス流体の一部を低圧塔に導入し、塔上部の第３酸素富化ガス流体と、塔下部の液化酸素とに分離する第３分離工程と、
前記酸素組成がほぼ空気と同じである空気組成流体を昇圧する圧縮工程と、
昇圧した前記酸素組成がほぼ空気と同じである空気組成流体と、前記液化酸素とを間接熱交換して、前記酸素組成がほぼ空気と同じである空気組成流体を凝縮して液化空気組成流体にすると同時に、前記液化酸素を蒸発して酸素ガス流体にする第２間接熱交換工程と、
前記窒素ガス流体の残部を、熱回収後に前記中圧製品窒素ガスとして導出する製品窒素ガス回収工程と、
前記酸素ガス流体を、熱回収後に前記中圧製品酸素ガスとして導出する製品酸素ガス回収工程とを含むことを特徴とする空気分離方法。
【請求項２】
系外から液化ガスを導入して装置に必要な寒冷を補給するものである請求項１に記載の空気分離方法。
【請求項３】
原料空気を深冷液化分離して、中圧製品窒素ガスと中圧製品酸素ガスとを採取する空気分離装置（７０）であって、
圧縮、精製した前記原料空気と製品ガスとを熱交換して、前記原料空気を冷却する主熱交換器（３）と、
前記主熱交換器（３）で冷却した前記原料空気を、高圧塔（５）下部に導入する管路（４）と、
この原料空気を、窒素ガス流体と第１酸素富化液化流体とに分離する高圧塔（５）と、
前記高圧塔（５）塔下部の前記第１酸素富化液化流体を、補助塔（７）上部に導入する管路（１４）と、
前記第１酸素富化液化流体を、酸素組成がほぼ空気と同じである空気組成流体と第２酸素富化液化流体とに分離する補助塔（７）と、
前記高圧塔（５）上部から導出した前記窒素ガス流体の一部を、凝縮器（１２）に導入する管路（１１）と、
前記窒素ガス流体の一部と前記第２酸素富化液化流体とを間接熱交換する、前記補助塔（７）下部に設けられた凝縮器（１２）と、
この窒素ガス流体を前記凝縮器（１２）で間接熱交換して液化窒素にした後、前記高圧塔（５）上部に導入する管路（１３）と、
前記第２酸素富化液化流体を間接熱交換で蒸発して得た第２酸素富化ガス流体の一部を低圧塔（２０）に導入する管路（１５，１８）と、
前記第２酸素富化ガス流体を、第３酸素富化ガス流体と液化酸素とに分離する低圧塔（２０）と、
前記補助塔（７）塔上部から導出した前記酸素組成がほぼ空気と同じである空気組成流体を、空気昇圧機（５１）に導入する管路（１７，３１）と、
前記酸素組成がほぼ空気と同じである空気組成流体を昇圧する空気昇圧機（５１）と、
前記空気昇圧機（５１）で昇圧した前記酸素組成がほぼ空気と同じである空気組成流体を、蒸化器（２１）に導入する管路（３２）と、
昇圧した前記酸素組成がほぼ空気と同じである空気組成流体と前記液化酸素とを間接熱交換する、前記低圧塔（２０）下部に設けられた蒸化器（２１）と、
前記酸素組成がほぼ空気と同じである空気組成流体を間接熱交換して得た液化空気組成流体を、前記低圧塔（２０）上部に導入する管路（３３）と、
前記窒素ガス流体の残部を、前記高圧塔（５）上部から導出し、前記中圧製品窒素ガスとして採取する管路（６）と、
酸素ガス流体を、前記低圧塔（２０）下部から導出し、前記中圧製品酸素ガスとして採取する管路（１９）とを設けたことを特徴とする空気分離装置。
【請求項４】
前記空気分離装置（７０）外からの液化ガスを導入する液化ガス導入管路（４５）を設けた請求項３に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、空気分離方法および空気分離装置に関するものであり、特に、原料空気を深冷液化分離して、中圧製品窒素ガスと中圧製品酸素ガスとを採取する空気分離方法および空気分離装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、工業的に酸素、窒素を製造する方法として、一般的には、複精留塔を用いて、空気を原料とした低温蒸留により製造する方法（深冷分離方法）およびそれに用いられる装置（空気分離装置）が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、製品として酸素ガス、窒素ガスを採取する典型的な空気分離装置が、従来例として説明されている。この典型的な空気分離装置は、運転圧力が約０．６ＭＰａ（６ｂａｒ）（以後、特記しない場合は絶対圧力を意味する。）の高圧塔と、約０．１４ＭＰａ（１．４ｂａｒ）の低圧塔とから構成されており、この高圧塔と低圧塔とは熱的に結合している。
【０００４】
そして、高圧塔頂部における窒素ガスを液化し、低圧塔底部における液体酸素を気化させるために、主凝縮器が設置されており、その熱交換に必要な窒素ガスと液体酸素との温度差を確保するためには、前述した高圧塔０．６ＭＰａ、低圧塔０．１４ＭＰａの運転圧力が必要となってくる。
【０００５】
この空気分離装置では、製品酸素ガスは低圧塔底部から採取するため、その採取圧力は約０．１４ＭＰａと低いことから、その後何らかの方法で中圧まで昇圧した後、使用に供される場合が多い。このような中圧の製品ガスを採取するには、以下の方法が考えられる。
【０００６】
（１）中圧の製品酸素ガスを採取するには、上記空気分離装置で生成した低圧の酸素ガスを昇圧する方法がある。これは、空気分離装置とは別途に製品ガス圧縮機を設置し、例えば、空気分離装置から採取した製品酸素ガスを、必要に応じて酸素ガス圧縮機に導入し、所定圧力にまで昇圧する方法である（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、空気分離装置から低圧で採取した製品酸素ガス、製品窒素ガスを、それぞれの圧縮機に導入して、所定の圧力まで昇圧している。
【０００７】
この方法は、それぞれの圧縮機が空気分離装置から全く独立しているので、運転上の制約が少ないというメリットがある。しかしながら、酸素ガス圧縮機は、空気圧縮機等と比較すると特別仕様となるため高価であり、日常のメンテナンスや運転管理上での留意点も多いという問題があった。
【０００８】
（２）また、製品ガスに求められる圧力に応じて、空気分離装置全体の運転圧力を高くする方法（高圧精留方式）がある。例えば、非特許文献１には、低圧塔からの製品窒素ガスを中圧で採取するために、運転圧力が夫々約０．９５ＭＰａ（９．５ｂａｒ）の高圧塔、約０．３５ＭＰａ（３．５ｂａｒ）の低圧塔からなる空気分離装置の例が記載されている。
【０００９】
上記高圧精留方式では、低圧塔の運転圧力に応じて高圧塔の運転圧力を高く設定する必要があるため、空気分離装置全体の運転圧力が高くなり、製品の動力原単位が大きくなるという問題がある。例えば、従来の複精留塔では、主凝縮器における温度差を確保するために、低圧塔運転圧力を０．０１ＭＰａ（０．１ｂａｒ）高く設定する毎に、高圧塔運転圧力を０．０２５〜０．０３ＭＰａ（０．２５〜０．３０ｂａｒ）程度上昇させる必要があった。
【００１０】
また、低圧塔からの酸素ガス以外の流体、例えば排ガスも通常の空気分離装置より高い圧力で取り出されるのであるが、この排ガスは単に減圧されて、前処理吸着器の再生等に用いられるのみであるため、その圧力エネルギーが無駄になるという問題があった。
【００１１】
また、特許文献２には、原料空気圧縮機の吐出圧力を０．７〜１．７ＭＰａ（７〜１７ｂａｒ  ゲージ圧力）とする高圧精留方式の例が提案されている。この高圧精留方式では、低圧塔から取り出される有圧の排窒素ガスの一部を、膨張タービンに導入することで圧力エネルギーの一部を回収しているが、原料空気圧縮機の動力増加分の多くを補うほどではなく、依然として圧力エネルギーのロスという問題があった。
【００１２】
（３）また、低圧塔から採取した０．１４ＭＰａ（１．４ｂａｒ）の液体酸素を、液体の状態でポンプを用いて所定の圧力にまで圧縮し、気化させる方法（内部昇圧プロセス）がある。例えば、特許文献３には、内部昇圧プロセスの例が提案されている。これによれば、液体酸素を液酸ポンプで約０．５３１ＭＰａ（５．３１ｂａｒ）まで昇圧後、主熱交換器で昇温し、中圧製品酸素ガスとして採取している。この内部昇圧プロセスでは、加圧した液体酸素の気化のための加熱源として、例えば、原料空気の一部を圧縮機で約１ＭＰａ（１０ｂａｒ）まで昇圧し、主熱交換器に導入する必要がある。
【００１３】
この内部昇圧プロセスを採用した装置は実績も多く、特殊な装置ではなく一般的に採用されている装置である。液酸ポンプで液体酸素を昇圧する方が、（１）の方法より動力が少ないというメリットもある。しかしながら、液酸ポンプだけでなく原料空気昇圧機も必要となるため、空気分離装置を構成する回転機械が複数台必要になり、制御が複雑になるという問題があった。
【特許文献１】特開平７−２７００６４号公報
【特許文献２】特開２００４−８５０３２号公報
【特許文献３】特開平７−１７４４６０号公報
【非特許文献１】ハンズ（B. A. Hands）著、クライオジェニック  エンジニアリング（Cryogenic Engineering）、アカデミック  プレス（Academic Press）、１９８６年、ｐ．４０２−４０４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
このように、中圧の製品ガスを採取する上記（１）〜（３）の方法にあっては、酸素ガス圧縮機が高価であること、高圧塔の運転圧力が高くなることによる製品の動力原単位が大きくなること、液酸ポンプと原料空気昇圧機を用いることによる回転機械数の増加と制御の複雑化という問題があった。
【００１５】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、酸素ガス圧縮機や液酸ポンプを用いることなく、簡単な構成で制御も簡便であり、製品動力原単位を削減して、中圧製品窒素ガスと中圧製品酸素ガスとを採取できる空気分離方法および空気分離装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、原料空気を深冷液化分離して、中圧製品窒素ガスと中圧製品酸素ガスとを採取する空気分離方法において、圧縮、精製、冷却した前記原料空気を高圧塔に導入し、塔上部の窒素ガス流体と、塔下部の第１酸素富化液化流体とに分離する第１分離工程と、前記第１酸素富化液化流体を補助塔に導入し、塔上部の酸素組成がほぼ空気と同じである空気組成流体と、塔下部の第２酸素富化液化流体とに分離する第２分離工程と、前記窒素ガス流体の一部と、前記第２酸素富化液化流体とを間接熱交換して、前記窒素ガス流体を凝縮して液化窒素にすると同時に、前記第２酸素富化液化流体を蒸発して第２酸素富化ガス流体にする第１間接熱交換工程と、前記第２酸素富化ガス流体の一部を低圧塔に導入し、塔上部の第３酸素富化ガス流体と、塔下部の液化酸素とに分離する第３分離工程と、前記酸素組成がほぼ空気と同じである空気組成流体を昇圧する圧縮工程と、昇圧した前記酸素組成がほぼ空気と同じである空気組成流体と、前記液化酸素とを間接熱交換して、前記酸素組成がほぼ空気と同じである空気組成流体を凝縮して液化空気組成流体にすると同時に、前記液化酸素を蒸発して酸素ガス流体にする第２間接熱交換工程と、前記窒素ガス流体の残部を、熱回収後に前記中圧製品窒素ガスとして導出する製品窒素ガス回収工程と、前記酸素ガス流体を、熱回収後に前記中圧製品酸素ガスとして導出する製品酸素ガス回収工程とを含むことを特徴とする空気分離方法である。
【００１７】
請求項２にかかる発明は、系外から液化ガスを導入して装置に必要な寒冷を補給するものである請求項１に記載の空気分離方法である。
【００１８】
請求項３にかかる発明は、原料空気を深冷液化分離して、中圧製品窒素ガスと中圧製品酸素ガスとを採取する空気分離装置（７０）であって、圧縮、精製した前記原料空気と製品ガスとを熱交換して、前記原料空気を冷却する主熱交換器（３）と、前記主熱交換器（３）で冷却した前記原料空気を、高圧塔（５）下部に導入する管路（４）と、この原料空気を、窒素ガス流体と第１酸素富化液化流体とに分離する高圧塔（５）と、前記高圧塔（５）塔下部の前記第１酸素富化液化流体を、補助塔（７）上部に導入する管路（１４）と、前記第１酸素富化液化流体を、酸素組成がほぼ空気と同じである空気組成流体と第２酸素富化液化流体とに分離する補助塔（７）と、前記高圧塔（５）上部から導出した前記窒素ガス流体の一部を、凝縮器（１２）に導入する管路（１１）と、前記窒素ガス流体の一部と前記第２酸素富化液化流体とを間接熱交換する、前記補助塔（７）下部に設けられた凝縮器（１２）と、この窒素ガス流体を前記凝縮器（１２）で間接熱交換して液化窒素にした後、前記高圧塔（５）上部に導入する管路（１３）と、前記第２酸素富化液化流体を間接熱交換で蒸発して得た第２酸素富化ガス流体の一部を低圧塔（２０）に導入する管路（１５，１８）と、前記第２酸素富化ガス流体を、第３酸素富化ガス流体と液化酸素とに分離する低圧塔（２０）と、前記補助塔（７）塔上部から導出した前記酸素組成がほぼ空気と同じである空気組成流体の一部を、空気昇圧機（５１）に導入する管路（１７，３１）と、前記酸素組成がほぼ空気と同じである空気組成流体を昇圧する空気昇圧機（５１）と、前記空気昇圧機（５１）で昇圧した前記酸素組成がほぼ空気と同じである空気組成流体を、蒸化器（２１）に導入する管路（３２）と、昇圧した前記酸素組成がほぼ空気と同じである空気組成流体と前記液化酸素とを間接熱交換する、前記低圧塔（２０）下部に設けられた蒸化器（２１）と、前記酸素組成がほぼ空気と同じである空気組成流体を間接熱交換して得た液化空気組成流体を、前記低圧塔（２０）上部に導入する管路（３３）と、前記窒素ガス流体の残部を、前記高圧塔（５）上部から導出し、前記中圧製品窒素ガスとして採取する管路（６）と、酸素ガス流体を、前記低圧塔（２０）下部から導出し、前記中圧製品酸素ガスとして採取する管路（１９）とを設けたことを特徴とする空気分離装置である。
【００１９】
請求項４にかかる発明は、前記空気分離装置（７０）外からの液化ガスを導入する液化ガス導入管路（４５）を設けた請求項３に記載の空気分離装置である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の空気分離方法および空気分離装置によれば、高圧塔（５）と低圧塔（２０）とが直接熱的に結合していないため、低圧塔（２０）の運転圧力を高くしても高圧塔（５）の運転圧力を従来ほど高くする必要がない。その結果、高圧塔（５）の運転圧力を従来装置よりも低くすることが可能であり、製品動力原単位を削減することができる。
【００２１】
また、高圧塔（５）と低圧塔（２０）とが直接熱的に結合していないため、低圧塔（２０）の運転圧力を高くできることにより、酸素ガス圧縮機や液酸ポンプを用いることなく、簡単な構成で制御も簡便に中圧製品酸素ガスとを採取することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態に係る空気分離装置の系統図の例を図面に示し、詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本実施形態に係る空気分離装置（７０）の系統図である。本実施形態の空気分離装置（７０）は、主熱交換器（３）と、原料空気導入管路（４）と、高圧塔（５）と、製品窒素ガス採取管路（６）と、補助塔（７）と、凝縮器（１２）と、凝縮器への窒素ガス流体導入管路（１１）と、高圧塔への液化窒素導入管路（１３）と、補助塔への第１酸素富化液化流体導入管路（１４）と、低圧塔（２０）と、蒸化器（２１）と、低圧塔への第２酸素富化ガス流体導入管路（１５，１８）と、空気昇圧機（５１）と、空気昇圧機への空気組成流体導入管路（１７，３１）と、製品酸素ガス採取管路（１９）と、膨張タービン（４０）と、膨張タービンへの第２酸素富化ガス流体、第３酸素富化ガス流体導入管路（３０，２４，２６）と、蒸化器への空気組成流体導入管路（３２）と、低圧塔への液化空気組成流体導入管路（３３）と、空気分離装置外からの液化ガス導入管路（４５）とから概略構成されている。
【００２４】
まず、大気から吸入した原料空気は、原料空気圧縮機（１）で所定の圧力まで昇圧し、冷却器（８）で冷却した後、吸着塔（２，２）に導入される。吸着塔（２，２）では、原料空気中の水分、二酸化炭素等の不純物が除去される。不純物を除去した原料空気は、主熱交換器（３）に導入される。
【００２５】
主熱交換器（３）で液化点付近まで冷却された原料空気は、原料空気導入管路（４）から高圧塔（５）下部に導入される。この高圧塔（５）、後述の補助塔（７）及び低圧塔（２０）内には、精留段（棚）、規則充填材、または不規則充填材等が設けられている。
【００２６】
高圧塔（５）に導入された原料空気は、高圧塔（５）内上昇中に下降液である液化窒素と向流接触を行い、蒸留により低沸点成分の組成が増加し、高圧塔（５）頂部における窒素ガス流体と、高圧塔（５）底部における酸素濃度約３５％の第１酸素富化液化流体とに分離される。
【００２７】
高圧塔（５）頂部に生成した窒素ガス流体は、高圧塔（５）上部から導出され、一部は、製品窒素ガス採取管路（６）を通って、主熱交換器（３）で熱回収されて常温まで昇温され、中圧製品窒素ガスとして採取される。
【００２８】
高圧塔（５）頂部に生成した窒素ガス流体の残部は、窒素ガス流体導入管路（１１）を通って、補助塔（７）下部に設けられた凝縮器（１２）に導入される。凝縮器（１２）では、この窒素ガス流体と、後述する補助塔（７）底部に生成した第２酸素富化液化流体との間接熱交換が行われ、窒素ガス流体は凝縮して液化窒素になり、第２酸素富化液化流体は蒸発して第２酸素富化ガス流体になる。
【００２９】
この液化窒素は、液化窒素導入管路（１３）を通って、還流液として高圧塔（５）上部に導入される。高圧塔（５）では、この液化窒素は、下降液として高圧塔（５）内を下降し、上昇ガスである原料空気と向流接触を行い、それにしたがって高沸点成分の組成が増加し、高圧塔（５）底部に第１酸素富化液化流体が生成する。
【００３０】
高圧塔（５）底部に生成した第１酸素富化液化流体は、管路（１４）から導出され、過冷器（９）、減圧弁（１０）を経由して、還流液として補助塔（７）上部に導入される。
【００３１】
補助塔（７）では、還流液である第１酸素富化液化流体と、後述する補助塔（７）内を上昇する第２酸素富化ガス流体との向流接触が起こり、蒸留の結果、補助塔（７）頂部には、酸素組成がほぼ空気と同じである流体（空気組成流体）が、補助塔（７）底部には、酸素濃度約４８％の第２酸素富化液化流体が生成する。
【００３２】
この第２酸素富化液化流体は、補助塔（７）下部に設けられた凝縮器（１２）で、窒素ガス流体と間接熱交換し、蒸発して第２酸素富化ガス流体となり、補助塔（７）内を上昇する。
【００３３】
この第２酸素富化ガス流体の一部は、管路（１５）から導出された後、二分され、その大部分が第２酸素富化ガス流体導入管路（１８）から低圧塔（２０）に導入される。
【００３４】
補助塔（７）頂部に生成した、空気組成流体は、管路（１７）から導出され、過冷器（９）を経由してから二分され、その一部は、管路（３１）、熱交換器（５０）を経由して常温まで昇圧された後、空気昇圧機（５１）に導入される。その後、空気昇圧機（５１）で昇圧された後、冷却器（５２）、熱交換器（５０）を通過して冷却され、空気組成流体導入管路（３２）から、低圧塔（２０）下部に設けられた蒸化器（２１）に加熱源として導入される。
【００３５】
また、空気組成流体の残部は、弁（２７）、排出管路（２９）を通過して、主熱交換器（３）で原料空気と熱交換してから、排ガス１として排出される。
【００３６】
低圧塔（２０）下部に設けられた蒸化器（２１）では、昇圧した前記空気組成流体と、後述する低圧塔（２０）底部に生成した液化酸素との間接熱交換が行われ、空気組成流体は、凝縮して液化空気組成流体になり、液化酸素は蒸発して酸素ガス流体になる。
【００３７】
液化空気組成流体は、管路（３３）から導出され、過冷器（２２）、減圧弁（２３）を経由して、還流液とし低圧塔（２０）上部に導入される。
【００３８】
低圧塔（２０）では、上部に導入された還流液である液化空気組成流体と、管路（１８）から導入された第２酸素富化ガス流体と、低圧塔（２０）内を上昇する酸素ガス流体との向流接触が起こり、蒸留の結果、低圧塔（２０）頂部には、第３酸素富化ガス流体が、低圧塔（２０）底部には、酸素濃度約９５％の液化酸素が生成する。
【００３９】
蒸化器（２１）で間接熱交換して発生した酸素ガス流体の一部は、低圧塔（２０）下部に設けた製品酸素ガス採取管路（１９）を通って、主熱交換器（３）で熱回収されて常温まで昇温され、中圧製品酸素ガスとして採取される。
【００４０】
低圧塔（２０）頂部に生成した第３酸素富化ガス流体は、管路（３０）から導出される。この第３酸素富化ガス流体は、補助塔（７）下部の管路（１５）から導出された第２酸素富化ガス流体の残部と管路（２４）で合流する。この第２酸素富化ガス流体と第３酸素富化ガス流体とは、過冷器（２２）、主熱交換器（３）を通って、一部は管路（２６）から膨張タービン（４０）に導入されて、空気分離装置（７０）に必要な寒冷を発生する。その後、管路（２８）から排出管路（２９）に合流して、排ガス１として排出される。
【００４１】
第２酸素富化ガス流体と第３酸素富化ガス流体との残部は、排出管路（２５）から排ガス２として排出される。
【００４２】
また、空気分離装置（７０）に必要な寒冷の一部又は全部は、空気分離装置（７０）外から液化ガスを導入して寒冷補給させてもよい。本実施形態では、低圧塔（２０）上部に、液化ガス導入管路（４５）を設けており、ここから液体空気、液体窒素、あるいは液体酸素を供給することも可能である。この液化ガス導入管路（４５）を、高圧塔（５）、補助塔（７）、低圧塔（２０）、あるいはそれらの塔に導入される配管等に設けてもよい。空気分離装置（７０）に必要な寒冷の全部を、空気分離装置（７０）外から液化ガスを導入して行う場合、膨張タービン（４０）は不要である。その場合には、管路（２４）の流体は、管路（２５）から排出することができる。
【００４３】
また、補助塔（７）、低圧塔（２０）の塔下部に、必要に応じて管路（６０，６１）を設けて、保安用液体酸素を取り出すこともある。
【００４４】
また、本実施形態では、主熱交換器（３）と熱交換器（５０）は、別個に設けられているが、これらの熱交換器は一体としてもよいし、流体ごとに分割してもよい。
【００４５】
次に、本実施形態で、高圧塔（５）の運転圧力を従来ほど高くする必要のないことを説明する。
【００４６】
この空気分離装置（７０）では、補助塔（７）を設けて、補助塔（７）底部に生成した第２酸素富化液化流体を、高圧塔（５）頂部の窒素ガスの液化に、補助塔（７）頂部に生成した空気組成流体を、低圧塔（５）底部の液化酸素の蒸発に用いている点に特徴がある。
【００４７】
例えば、製品酸素ガスに必要な圧力を０．３ＭＰａ（３ｂａｒ）とすると、補助塔（７）の運転圧力もほぼ０．３ＭＰａとなり、補助塔（７）底部に生成される第２酸素富化液化流体の飽和温度は約９７Ｋになる。窒素ガスと第２酸素富化液化流体との熱交換のために、凝縮器（１２）に必要な温度差を２Ｋとすると、高圧塔（５）頂部の窒素ガス流体に必要な温度は、約９９Ｋとなり、高圧塔（５）に必要な運転圧力は０．６９ＭＰａ（６．９ｂａｒ）となる。
【００４８】
これに対し、特許文献１の図１に記載された従来の空気分離装置では、低圧塔底部には、例えば、酸素濃度約９５％の液化酸素が生成される。この液化酸素の０．３ＭＰａ（３ｂａｒ）における飽和温度は、約１０２Ｋである。そのため、特許文献１の図１に示した凝縮器（４１）において、酸素流体と窒素流体との熱交換に必要な温度差を２Ｋとすると、高圧塔頂部の窒素ガス流体に必要な温度は、約１０４Ｋとなる。その結果、特許文献１に示した高圧塔に必要な運転圧力は０．９９ＭＰａ（９．９ｂａｒ）となる。
【００４９】
つまり、０．３ＭＰａの製品酸素ガスが必要な場合、本発明を利用することで、原料空気圧縮機（１）の吐出圧力を約０．３ＭＰａ（＝０．９９ＭＰａ−０．６９ＭＰａ）低減することができ、製品の動力原単位を低減することができる。
【００５０】
また、補助塔（７）を用いて、空気組成流体を管路（１７）から取り出し、これを空気昇圧機（５１）で圧縮した後、低圧塔（２０）下部の蒸化器（２１）への温流体として、管路（３２）から導入している。補助塔（７）を用いることにより、取り出すのが空気組成流体であるため、特別仕様の酸素ガス圧縮機を用いることなく、通常の空気圧縮機を空気昇圧機（５１）として使用することができ、コストやメンテナンスの労力を低減することができる。
【００５１】
また、低圧塔（２０）下部の蒸化器（２１）の加熱源に空気組成流体を利用することは、プロセス上もメリットがある。
低圧塔（２０）の運転圧力を０．３ＭＰａ（３ｂａｒ）とすると、低圧塔底部の酸素流体の飽和温度は約１０２Ｋである。蒸化器（２１）に必要な温度差を２Ｋとすると、蒸化器（２１）の加熱源に必要な飽和温度は、約１０４Ｋである。蒸化器（２１）の加熱源に空気組成流体を用いた場合、その飽和温度から、その圧力は約０．８５ＭＰａである必要がある。
【００５２】
一方、蒸化器（２１）の加熱源に窒素ガスを用いた場合、その飽和温度からその運転圧力は約０．９９ＭＰａである必要がある。つまり、蒸化器（２１）の加熱源に「空気組成流体」を用いることで、空気昇圧機（５１）の吐出圧力を低減することができ、しかも、昇圧機として一般的な空気圧縮機を採用できるメリットを得ることができる。
【００５３】
また、本明細書では、「空気組成流体」とは、その圧縮に一般的な空気圧縮機の利用が可能な流体を意味している。従って、その組成が通常の大気組成と完全に一致する意味に限定するものではない。特に、その酸素組成は採用する圧縮機のメーカや型番によって多少変動する場合がある。
【実施例】
【００５４】
以下、実施例により、本発明をさらに詳しく説明する。本発明は、下記実施例に何ら制限されるものではない。
【００５５】
［実施例１］
図１に示した空気分離装置（７０）を用いて、窒素ガスと酸素ガスを生産した。フィルタ(図示略)によって粉塵等を除去した原料空気３６３０Ｎｍ３／ｈを、原料空気圧縮機（１）で約０．７３ＭＰａ（７．３ｂａｒ）まで圧縮した後、吸着器（２，２）で水分、二酸化炭素を除去した。主熱交換器（３）で露点近くまで冷却し、高圧塔（５）下部に導入した。
【００５６】
高圧塔（５）上部から、０．６９ＭＰａ（６．９ｂａｒ）の製品窒素ガス１４５０Ｎｍ３／ｈを取り出し、主熱交換器（３）で常温まで昇温した後、製品窒素ガスとして採取した。
【００５７】
高圧塔（５）底部からは、酸素濃度約３５％の第１酸素富化液化流体２１８０Ｎｍ３／ｈを取り出し、過冷器（９）で冷却後、補助塔（１１）上部に還流液として供給した。
【００５８】
補助塔（１１）を約０．３ＭＰａ（３ｂａｒ）で運転し、供給された還流液である第１酸素富化液化流体２１８０Ｎｍ３／ｈを、補助塔（７）頂部の酸素組成がほぼ空気と同じである空気組成流体１１６０Ｎｍ３／ｈと、補助塔（７）底部の酸素濃度約４８％の第２酸素富化液化流体１０２０Ｎｍ３／ｈとに分離した。
【００５９】
この空気組成流体を管路（１７）から取り出し、熱交換器（５０）で常温まで昇温した後、空気昇圧機（５１）で約０．８５ＭＰａ（８．５ｂａｒ）まで昇圧した。昇圧した空気組成流体を、熱交換器（５０）で再度冷却し、低圧塔（２０）下部の蒸化器（２１）に導入した。
【００６０】
低圧塔（２０）を約０．３ＭＰａ（３ｂａｒ）で運転し、低圧塔（２０）下部から約０．３ＭＰａ（３ｂａｒ）の酸素濃度９５％の酸素ガス４６５Ｎｍ３／ｈを取り出し、主熱交換器（３）で昇温後、製品酸素ガスとして採取した。
【００６１】
また、低圧塔（２０）頂部からは第３酸素富化ガス流体を取り出し、補助塔（７）下部からの第２酸素富化ガス流体の一部と共に、膨張タービン（４０）に導入して、空気分離装置（７０）に必要な寒冷を発生させた。
【００６２】
以上の結果から、本発明の空気分離方法および空気分離装置によれば、中圧製品窒素ガスと中圧製品酸素ガスとを採取し、高圧塔（５）の運転圧力を従来より低くできることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施の形態に係る空気分離装置の系統図である。
【符号の説明】
【００６４】
３  主熱交換器
４  原料空気導入管路
５  高圧塔
６  製品窒素ガス採取管路
７  補助塔
１１  凝縮器への窒素ガス流体導入管路
１２  凝縮器
１３  高圧塔への液化窒素導入管路
１４  補助塔への第１酸素富化液化流体導入管路
１５，１８  低圧塔への第２酸素富化ガス流体導入管路
１７，３１  空気昇圧機への空気組成流体導入管路
１９  製品酸素ガス採取管路
２０  低圧塔
２１  蒸化器
３２  蒸化器への空気組成流体導入管路
３３  低圧塔への液化空気組成流体導入管路
４５  空気分離装置外からの液化ガス導入管路
５１  空気昇圧機
７０  空気分離装置
【図１】
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