(57)【要約】【課題】ＡＢプロセスにおける空気分離効率を更に向上させて動力費のさらなる低減を図ることができる空気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深冷液化分離することによって製品酸素を採取する空気分離方法において、第一窒素ガスと酸素富化液とに分離する第一蒸留工程と、第二窒素ガスと液化酸素とに分離する第二蒸留工程と、第一窒素ガスと液化酸素の一部とを間接熱交換させる第一間接熱交換工程と、低温圧縮した第二原料空気と液化酸素の残部とを間接熱交換させる第二間接熱交換工程と、第三液化空気を中間圧力に減圧してから第三窒素ガスと間接熱交換させる第三間接熱交換工程とを含んでいる。【選択図】  図１
2015114083.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深冷液化分離することによって製品酸素を採取する空気分離方法において、
第一原料空気、第一液化空気、第一液化窒素及び第三液化窒素をあらかじめ設定された第一圧力で低温蒸留して第一窒素ガスと酸素富化液とに分離する第一蒸留工程と、
第二液化窒素、第二液化空気、酸素富化液、第三原料空気及び酸素ガスを前記第一圧力より低い第二圧力で低温蒸留して第二窒素ガスと液化酸素とに分離する第二蒸留工程と、
あらかじめ設定された圧力に圧縮され、精製、冷却した原料空気を第一原料空気と第二原料空気とに分流する段階と、
前記第一原料空気を前記第一蒸留工程に導入する段階と、
前記第二原料空気を前記第一圧力より高い第三圧力に低温圧縮する低温圧縮工程と、
前記酸素富化液を前記第二圧力に減圧して前記第二蒸留工程に導入する段階と、
前記第一窒素ガスの一部を第三窒素ガスとして分流する段階と、
前記第一窒素ガスと前記液化酸素の一部とを間接熱交換させ、前記第一窒素ガスを液化して第一液化窒素にするとともに前記液化酸素を気化して酸素ガスにする第一間接熱交換工程と、
低温圧縮した前記第二原料空気と前記液化酸素の残部とを間接熱交換させ、前記第二原料空気を液化して液化空気にするとともに前記液化酸素を気化して酸素ガスにする第二間接熱交換工程と、
前記液化空気を第一液化空気、第二液化空気及び第三液化空気に分流する段階と、
前記第一液化空気を第一圧力に減圧して前記第一蒸留工程に導入する段階と、
前記第二液化空気を第二圧力に減圧して前記第二蒸留工程に導入する段階と、
前記第三液化空気を中間圧力に減圧してから前記第三窒素ガスと間接熱交換させ、前記第三窒素ガスを液化して第二液化窒素にするとともに、前記第三液化空気を気化して第三原料空気にする第三間接熱交換工程と、
前記第二液化窒素の一部を第三液化窒素として分流する段階と、
前記第三液化窒素及び前記第一液化窒素を前記第一蒸留工程にそれぞれ導入する段階と、
前記第二液化窒素の残部を第二圧力に減圧して前記第二蒸留工程に導入する段階と、
前記第三原料空気を断熱膨張させて前記第二圧力に減圧してから前記第二蒸留工程に導入する段階と、
前記酸素ガスの一部を熱回収後に製品酸素ガスとして採取する段階と、
前記酸素ガスの残部を前記第二蒸留工程に導入する段階と、
前記第二窒素ガスを熱回収後に導出する段階とを含むことを特徴とする空気分離方法。
【請求項２】
前記第三原料空気を断熱膨張させる際に発生するエネルギーで前記第二原料空気を前記第二圧力に昇圧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３】
圧縮、精製、冷却した原料空気を深冷液化分離することによって製品酸素を採取する空気分離装置において、
第一原料空気、第一液化空気、第一液化窒素及び第三液化窒素をあらかじめ設定された第一圧力で低温蒸留して第一窒素ガスと酸素富化液とに分離する第一蒸留塔と、
第二液化窒素、第二液化空気、酸素富化液、第三原料空気及び酸素ガスを前記第一圧力より低い第二圧力で低温蒸留して第二窒素ガスと液化酸素とに分離する第二蒸留塔と、
あらかじめ設定された圧力に圧縮され、精製、冷却した原料空気を第一原料空気と第二原料空気とに分流する経路と、
前記第一原料空気を前記第一蒸留塔に導入する経路と、
前記第二原料空気を前記第一圧力より高い第三圧力に低温圧縮する低温圧縮機と、
前記酸素富化液を前記第二圧力に減圧して前記第二蒸留塔に導入する経路と、
前記第一窒素ガスの一部を第三窒素ガスとして分流する経路と、
前記第一窒素ガスと前記液化酸素の一部とを間接熱交換させ、前記第一窒素ガスを液化して第一液化窒素にするとともに前記液化酸素を気化して酸素ガスにする第一間接熱交換器と、
低温圧縮した前記第二原料空気と前記液化酸素の残部とを間接熱交換させ、前記第二原料空気を液化して液化空気にするとともに前記液化酸素を気化して酸素ガスにする第二間接熱交換器と、
前記液化空気を第一液化空気、第二液化空気及び第三液化空気に分流する経路と、
前記第一液化空気を第一圧力に減圧して前記第一蒸留塔に導入する経路と、
前記第二液化空気を第二圧力に減圧して前記第二蒸留塔に導入する経路と、
前記第三液化空気を中間圧力に減圧してから前記第三窒素ガスと間接熱交換させ、前記第三窒素ガスを液化して第二液化窒素にするとともに、前記第三液化空気を気化して第三原料空気にする第三間接熱交換器と、
前記第二液化窒素の一部を第三液化窒素として分流する経路と、
前記第三液化窒素及び前記第一液化窒素を前記第一蒸留塔にそれぞれ導入する経路と、
前記第二液化窒素の残部を第二圧力に減圧して前記第二蒸留塔に導入する経路と、
前記第三原料空気を膨張タービンで断熱膨張させて前記第二圧力に減圧してから前記第二蒸留塔に導入する経路と、
前記酸素ガスの一部を熱回収後に製品酸素ガスとして採取する経路と、
前記酸素ガスの残部を前記第二蒸留塔に導入する経路と、
前記第二窒素ガスを熱回収後に導出する経路と、
を備えていることを特徴とする空気分離装置。
【請求項４】
前記第三間接熱交換器は、ドライ式又はサーモサイフォン式であることを特徴とする請求項３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、空気分離方法及び装置に関し、詳しくは、原料空気を深冷液化分離して製品酸素を採取する空気分離方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原料空気を深冷液化分離して製品酸素を採取する際には、一般的に、複精留塔を備えた空気分離装置が用いられている。図７は、製品酸素を採取するための複精留塔を備えた空気分離装置の基本的な構成例を示す系統図である。図７において、空気圧縮機１０１で圧縮された原料空気は、アフタークーラー１０１ａで常温まで冷却された後、モレキュラーシーブス等を充填した精製設備１０２に導入され、二酸化炭素や水分等の不純物が吸着除去される。精製設備１０２で精製された原料空気は、経路１２１を通り、主熱交換器１０３で、製品酸素ガス等の低温戻りガスと間接熱交換して露点温度付近まで冷却され、全量がガスの状態又は一部液化した状態で経路１２２を通り、複精留塔の第一蒸留塔（中圧塔）１０４の下部に導入される。
【０００３】
第一蒸留塔１０４では、塔底部から導入された原料空気が塔内上昇ガスとなり、塔頂からの還流液との気液接触により低温蒸留が行われ、塔頂部に窒素ガス、塔底部に酸素富化液がそれぞれ分離する。塔頂部に分離した窒素ガスは、経路１２３を通って第二蒸留塔（低圧塔）１０５の底部に設置された主凝縮器１０６に導入され、第二蒸留塔１０５の底部に分離した液化酸素と間接熱交換を行い、液化酸素を気化させて酸素ガスにするとともに、窒素ガスは液化して液化窒素となる。この液化窒素は経路１２４に導出され、その一部が経路１２５を通って第一蒸留塔１０４の頂部に還流液として戻され、第一蒸留塔１０４内を下降する。残りの液化窒素は、経路１２６を通り、過冷器１０７で冷却され、減圧弁１０８で第二蒸留塔１０５の頂部圧力に減圧された後、第二蒸留塔１０５の頂部に還流液として導入される。
【０００４】
また、第一蒸留塔１０４の底部に分離した酸素富化液は、経路１２７に抜き出され、前記過冷器１０７で冷却され、減圧弁１０９で第二蒸留塔１０５の中段部圧力まで減圧された後、第二蒸留塔１０５の中段部に還流液として導入される。
【０００５】
第二蒸留塔１０５では、大気圧力に近い低圧の操作圧力で、経路１２６，１２７から導入された還流液（液化窒素及び酸素富化液）と、塔底部の主凝縮器１０６で気化して塔内を上昇する酸素ガスとの気液接触によって低温蒸留が行われ、塔頂部に窒素ガスが分離するとともに塔底部に液化酸素が分離する。
【０００６】
第二蒸留塔１０５の頂部に分離した窒素ガスは、経路１２８に抜出され、過冷器１０７及び主熱交換器１０３で熱回収されて常温付近まで昇温した後、経路１２９から廃ガスとして導出される。この廃ガスの一部は、前記精製設備１０２の再生ガスとして用いられる。
【０００７】
また、前記主凝縮器１０６での熱交換によって気化した酸素ガスの一部は、経路１３０に抜出されて主熱交換器１０３に導入され、原料空気と熱交換することにより熱回収されて常温付近まで昇温し、経路１３１から製品酸素ガスとして採取される。また、液化酸素の一部は、第二蒸留塔１０５の底部から経路１３２に保安液酸として抜き出される。
【０００８】
さらに、運転中の熱損失を補償するための寒冷発生回路１４０が設けられている。この寒冷発生回路１４０は、圧縮、精製後の原料空気の一部を経路１４１に分流し、ブロワ（膨張タービン制動ブロワ）１４２で昇圧してアフタークーラー１４２ａで常温まで冷却し、更に主熱交換器１０３で中間温度まで冷却した後、経路１４３から膨張タービン１４４に導入して第二蒸留塔１０５の中段部圧力まで断熱膨張させてるとともに、寒冷を発生させた後、経路１４５から第二蒸留塔１０５の中段部に導入している。
【０００９】
このような基本的な構成に対し、消費動力を低減させるための各種構成が数多く提案されているが、その一つとして、いわゆる、空気蒸発プロセス（Ａｉｒ−Ｂｏｉｌｉｎｇ  Ｐｒｏｃｅｓｓ、（ＡＢプロセス））が知られている（例えば、特許文献１〜５参照。）。
【００１０】
図８は、このＡＢプロセスを採用した空気分離装置の基本的な構成例を示す系統図である。なお、図８の説明において、前記図７に示した空気分離装置の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００１１】
図８において、この空気分離装置は、前記第二蒸留塔１０５の底部に設けた主凝縮器（以下、第一間接熱交換器という）１０６の下方に、仕切板１０５ａを介して第二間接熱交換器１５１を設け、該第二間接熱交換器１５１で第二蒸留塔１０５の塔底部に分離した前記液化酸素の一部と前記原料空気の一部とを間接熱交換させるようにしている。
【００１２】
すなわち、第二蒸留塔１０５の塔底部に分離した液化酸素の一部は、経路１５２を通って第二間接熱交換器１５１に導入され、前記経路１２２を流れる原料空気の一部が、経路１５３に分流して第二間接熱交換器１５１に導入される。第二間接熱交換器１５１では、液化酸素が気化して酸素ガスになるとともに原料空気が液化して液化空気となる。この液化空気は、経路１５４を通って第一蒸留塔１０４の中段部に還流液として導入される。
【００１３】
また、第二間接熱交換器１５１で気化した酸素ガスの一部は、経路１３０に抜出されて主熱交換器１０３で熱回収され、経路１３１から製品酸素ガスとして採取される。残部の酸素ガスは、経路１５５を通って第二蒸留塔１０５の下部に上昇ガスとして導入される。
【００１４】
さらに、第一蒸留塔１０４の中段部からは、塔内を流下する窒素富化液の一部が経路１５６に抜き出され、過冷器１０７を通り、減圧弁１５７で減圧されてから第二蒸留塔１０５の中段上部に還流液として導入される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開平６−１１７７５３号公報
【特許文献２】特開平６−１０１９６３号公報
【特許文献３】特開平１０−１８５４２５号公報
【特許文献４】特開平１１−２５７８４５号公報
【特許文献５】特開２０１１−５１８３０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかし、各特許文献に記載されたＡＢプロセスでは、原料空気圧力の低減を図ることによってある程度の効果は期待できるものの、装置構成や運転性に問題があった。
【００１７】
そこで本発明は、ＡＢプロセスにおける空気分離効率を更に向上させて動力費のさらなる低減を図ることができる空気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】
【００１８】
上記目的を達成するため、本発明の空気分離方法は、圧縮、精製、冷却した原料空気を深冷液化分離することによって製品酸素を採取する空気分離方法において、第一原料空気、第一液化空気、第一液化窒素及び第三液化窒素をあらかじめ設定された第一圧力で低温蒸留して第一窒素ガスと酸素富化液とに分離する第一蒸留工程と、第二液化窒素、第二液化空気、酸素富化液、第三原料空気及び酸素ガスを前記第一圧力より低い第二圧力で低温蒸留して第二窒素ガスと液化酸素とに分離する第二蒸留工程と、あらかじめ設定された圧力に圧縮され、精製、冷却した原料空気を第一原料空気と第二原料空気とに分流する段階と、前記第一原料空気を前記第一蒸留工程に導入する段階と、前記第二原料空気を前記第一圧力より高い第三圧力に低温圧縮する低温圧縮工程と、前記酸素富化液を前記第二圧力に減圧して前記第二蒸留工程に導入する段階と、前記第一窒素ガスの一部を第三窒素ガスとして分流する段階と、前記第一窒素ガスと前記液化酸素の一部とを間接熱交換させ、前記第一窒素ガスを液化して第一液化窒素にするとともに前記液化酸素を気化して酸素ガスにする第一間接熱交換工程と、低温圧縮した前記第二原料空気と前記液化酸素の残部とを間接熱交換させ、前記第二原料空気を液化して液化空気にするとともに前記液化酸素を気化して酸素ガスにする第二間接熱交換工程と、前記液化空気を第一液化空気、第二液化空気及び第三液化空気に分流する段階と、前記第一液化空気を第一圧力に減圧して前記第一蒸留工程に導入する段階と、前記第二液化空気を第二圧力に減圧して前記第二蒸留工程に導入する段階と、前記第三液化空気を中間圧力に減圧してから前記第三窒素ガスと間接熱交換させ、前記第三窒素ガスを液化して第二液化窒素にするとともに、前記第三液化空気を気化して第三原料空気にする第三間接熱交換工程と、前記第二液化窒素の一部を第三液化窒素として分流する段階と、前記第三液化窒素及び前記第一液化窒素を前記第一蒸留工程にそれぞれ導入する段階と、前記第二液化窒素の残部を第二圧力に減圧して前記第二蒸留工程に導入する段階と、前記第三原料空気を断熱膨張させて前記第二圧力に減圧してから前記第二蒸留工程に導入する段階と、前記酸素ガスの一部を熱回収後に製品酸素ガスとして採取する段階、前記酸素ガスの残部を前記第二蒸留工程に導入する段階と、前記第二窒素ガスを熱回収後に導出する段階とを含むことを特徴としている。
【００１９】
さらに、本発明の空気分離方法は、前記窒素富化ガスを断熱膨張させる際に発生するエネルギーで前記第二原料空気を前記第二圧力に昇圧することを特徴としている。
【００２０】
また、本発明の空気分離装置は、圧縮、精製、冷却した原料空気を深冷液化分離することによって製品酸素を採取する空気分離装置において、第一原料空気、第一液化空気、第一液化窒素及び第三液化窒素をあらかじめ設定された第一圧力で低温蒸留して第一窒素ガスと酸素富化液とに分離する第一蒸留塔と、第二液化窒素、第二液化空気、酸素富化液、第三原料空気及び酸素ガスを前記第一圧力より低い第二圧力で低温蒸留して第二窒素ガスと液化酸素とに分離する第二蒸留塔と、あらかじめ設定された圧力に圧縮され、精製、冷却した原料空気を第一原料空気と第二原料空気とに分流する経路と、前記第一原料空気を前記第一蒸留塔に導入する経路と、前記第二原料空気を前記第一圧力より高い第三圧力に低温圧縮する低温圧縮機と、前記酸素富化液を前記第二圧力に減圧して前記第二蒸留塔に導入する経路と、前記第一窒素ガスの一部を第三窒素ガスとして分流する経路と、前記第一窒素ガスと前記液化酸素の一部とを間接熱交換させ、前記第一窒素ガスを液化して第一液化窒素にするとともに前記液化酸素を気化して酸素ガスにする第一間接熱交換器と、低温圧縮した前記第二原料空気と前記液化酸素の残部とを間接熱交換させ、前記第二原料空気を液化して液化空気にするとともに前記液化酸素を気化して酸素ガスにする第二間接熱交換器と、前記液化空気を第一液化空気、第二液化空気及び第三液化空気に分流する経路と、前記第一液化空気を第一圧力に減圧して前記第一蒸留塔に導入する経路と、前記第二液化空気を第二圧力に減圧して前記第二蒸留塔に導入する経路と、前記第三液化空気を中間圧力に減圧してから前記第三窒素ガスと間接熱交換させ、前記第三窒素ガスを液化して第二液化窒素にするとともに、前記第三液化空気を気化して第三原料空気にする第三間接熱交換器と、前記第二液化窒素の一部を第三液化窒素として分流する経路と、前記第三液化窒素及び前記第一液化窒素を前記第一蒸留塔にそれぞれ導入する経路と、前記第二液化窒素の残部を第二圧力に減圧して前記第二蒸留塔に導入する経路と、前記第三原料空気を膨張タービンで断熱膨張させて前記第二圧力に減圧してから前記第二蒸留塔に導入する経路と、前記酸素ガスの一部を熱回収後に製品酸素ガスとして採取する経路と、前記酸素ガスの残部を前記第二蒸留塔に導入する経路と、前記第二窒素ガスを熱回収後に導出する経路とを備えていることを特徴としている。
【００２１】
さらに、本発明の空気分離装置は、前記第三間接熱交換器がドライ式又はサーモサイフォン式であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、第三間接熱交換工程を実施する第三間接熱交換器で液化酸素と熱交換する温流体を、低温圧縮機で低温圧縮した第二原料空気としているので、第三間接熱交換工程における熱交換効率を向上できるとともに、第二原料空気を昇圧するために要する動力の低減や機器の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の空気分離方法を実施可能な空気分離装置の第１形態例を示す系統図である。
【図２】本発明の空気分離方法を実施可能な空気分離装置の第２形態例を示す系統図である。
【図３】本発明の空気分離方法を実施可能な空気分離装置の第３形態例を示す系統図である。
【図４】本発明の空気分離方法を実施可能な空気分離装置の第４形態例を示す系統図である。
【図５】本発明の空気分離方法を実施可能な空気分離装置の第５形態例を示す系統図である。
【図６】本発明の空気分離方法を実施可能な空気分離装置の第６形態例を示す系統図である。
【図７】製品酸素を採取するための複精留塔を備えた空気分離装置の基本的な構成例を示す系統図である。
【図８】ＡＢプロセスを採用した空気分離装置の基本的な構成例を示す系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は、本発明の空気分離方法を実施可能な空気分離装置の第１形態例を示す系統図である。本形態例に示す空気分離装置は、主要な機器として、あらかじめ設定された第一圧力で第一蒸留工程を行う第一蒸留塔１１と、前記第一圧力より低い第二圧力で第二蒸留工程を行う第二蒸留塔１２と、第二蒸留塔１２の底部に設けられた第一間接熱交換工程を行う第一間接熱交換器１３と、第二蒸留塔１２の下方に仕切板１２ａを介して配置された第二間接熱交換工程を行う第二間接熱交換器１４と、第二蒸留塔１２の下部側方に配置された第三間接熱交換工程を行う第三間接熱交換器１５と、断熱膨張工程を行う膨張タービン１６及び該膨張タービン１６によって駆動される低温圧縮工程を行う低温圧縮機１７と、寒冷補給用の寒冷発生回路１８とを備えている。
【００２５】
原料空気は、空気圧縮機２０であらかじめ設定された中間圧力（中圧）の第一圧力に圧縮され、アフタークーラー２０ａで常温まで冷却された後、モレキュラーシーブス等を充填した精製設備２１に導入され、二酸化炭素や水分等の不純物が吸着除去される。精製設備２１で精製された原料空気は、経路３１から主熱交換器２２に導入され、この主熱交換器２２で、製品酸素ガス等の低温戻りガスと熱交換して露点温度付近まで冷却され、経路３２に導出される。
【００２６】
経路３２を流れる原料空気は、経路３３の第一原料空気と経路３４の第二原料空気とに分流し、経路３３の第一原料空気は、前記第一蒸留塔１１の下部に導入される。また、経路３４の第二原料空気は、前記低温圧縮機１７で前記第一圧力より高い第三圧力に圧縮された後、経路３５を通って前記第二間接熱交換器１４に導入される。
【００２７】
第一蒸留塔１１では第一蒸留工程が行われ、前記第一原料空気と、後述する第一液化空気、第一液化窒素及び第三液化窒素とが低温蒸留されることにより、塔頂部に第一窒素ガスが分離し、塔底部に酸素富化液が分離する。酸素富化液は、第一蒸留塔１１の底部から経路３６に抜き出され、過冷器２３を通り、減圧弁２４で減圧された後、第二蒸留塔１２の中段部に還流液として導入される。
【００２８】
第一蒸留塔１１の塔頂部の第一窒素ガスは、経路３７に抜き出された後、該第一窒素ガスの一部が経路３８に第三窒素ガスとして分流し、分流した第三窒素ガスは、第三間接熱交換器１５に導入され、残部の第一窒素ガスは、経路３９を通って第一間接熱交換器１３に導入される。第一間接熱交換器１３では、第二蒸留塔１２の底部に分離した液化酸素の一部（第一液化酸素）と第一窒素ガスとが第一間接熱交換工程を行い、第一窒素ガスが液化して第一液化窒素になるとともに、第一液化酸素が気化して第一酸素ガスになる。液化した第一液化窒素は、経路４０を通って第一蒸留塔１１の塔頂部に還流液として戻される。
【００２９】
また、第二蒸留塔１２の底部に分離した液化酸素の残部は、第二液化酸素として経路４１から気液接触部１４ａを還流液として通過した後、第二間接熱交換器１４に導入される。この第二液化酸素の大部分は、第三圧力に圧縮された前記第二原料空気との間で第二間接熱交換工程を行い、第二原料空気を液化して液化空気にするとともに、第二液化酸素は気化して第二酸素ガスになる。この第二酸素ガスの一部は、経路４２に抜き出され、主熱交換器２２で原料空気を加温することによって熱回収された後、経路４３から製品酸素ガスとして採取される。第二酸素ガスの残部は、気液接触部１４ａを上昇ガスとして通過した後、弁２５を有する経路４４を通って第二蒸留塔１２の下部に導入され、前記第一酸素ガスと合流して第二蒸留塔１２の上昇ガスとなる。また、第二液化酸素は、炭化水素の濃縮を防止するための保安液酸として少量が経路４５から抜き出される。
【００３０】
前記液化空気は、経路４６に抜き出された後、経路４７の第一液化空気と、経路４８の第二液化空気と、経路４９の第三液化空気とに分流し、経路４７の第一液化空気は、減圧弁２６で減圧されて第一蒸留塔１１の中段部に還流液として導入される。また、経路４８の第二液化酸素は、過冷器２３を通り、減圧弁２７で減圧された後、第二蒸留塔１２の中段上部に還流液として導入される。
【００３１】
経路４９の第三液化空気は、減圧弁２８で膨張タービン１６の入口圧力に減圧された後、気液分離器２９で気液分離され、液相が前記第三間接熱交換器１５に導入される。ドライ型熱交換器を採用した第三間接熱交換器１５では、第三液化空気と経路３８から導入される第三窒素ガスとが第三間接熱交換工程を行い、第三液化空気が気化して第三原料空気になるとともに、第三窒素ガスが液化して第二液化窒素になる。
【００３２】
第三原料空気は、経路５０で気液分離器２９の気相と合流し、主熱交換器２２で中間温度まで加温された後、経路５１から膨張タービン１６に導入される。膨張タービン１６では、第三原料空気が前記第二圧力まで膨張して寒冷を発生するとともに、膨張時のエネルギーによって前記低温圧縮機１７を駆動する。膨張した第三原料空気は、経路５２を通って第二蒸留塔１２の中段部に上昇ガスとして導入される。
【００３３】
一方、第三間接熱交換器１５で液化して経路５３に導出した第二液化窒素は、一部が経路５４に第三液化窒素として分流し、第一蒸留塔１１の塔頂部に還流液として戻され、残部の第二液化窒素は、経路５５を通って過冷器２３を通り、減圧弁３０で減圧されてから第二蒸留塔１２の頂部に還流液として導入される。そして、第二蒸留塔１２の頂部からは、第二窒素ガスが経路５６に抜き出され、過冷器２３及び主熱交換器２２で熱回収された後、経路５７から廃ガスとして導出される。
【００３４】
寒冷発生回路１８は、従来と同様に、圧縮、精製後の原料空気の一部を経路１４１に分流し、ブロワ１４２で昇圧してアフタークーラー１４２ａで常温まで冷却し、更に主熱交換器１０３で中間温度まで冷却した後、経路１４３から膨張タービン１４４に導入して第二蒸留塔１０５の中段部圧力まで断熱膨張させるとともに、所要量の寒冷を発生させた後、経路１４５から第二蒸留塔１０５の中段部に導入している。
【００３５】
図２は、本発明の空気分離方法を実施可能な空気分離装置の第２形態例を示す系統図であって、前述の第一蒸留塔１１の頂部に、仕切板１１ａを介して、サーモサイフォン型熱交換器を採用した第三間接熱交換器１５を配置した例を示している。なお、以下の説明において、前記第１形態例に示した空気分離装置の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００３６】
本形態例に示す空気分離装置における第三間接熱交換器１５には、第一蒸留塔１１の頂部から経路３７に抜き出した窒素ガスの一部（第三窒素ガス）を、経路３８に分流させて導入するとともに、第二間接熱交換器１４で液化して経路４９に分流した液化空気の一部（第三液化空気）を減圧弁２８で減圧して導入している。なお、サーモサイフォン型熱交換器の場合、気液分離器は不要である。
【００３７】
第三間接熱交換器１５での間接熱交換によって液化して経路５３に導出された液化窒素（第二液化窒素）は、第一間接熱交換器１３での間接熱交換によって液化して経路４０に導出された液化窒素（第一液化窒素）と合流し、一部が経路５４に分流して第一蒸留塔１１の塔頂部に戻され、残部の液化窒素が、経路５５から過冷器２３、減圧弁３０を通って第二蒸留塔１２の頂部に導入される。
【００３８】
また、第三間接熱交換器１５で未気化の第三液化空気の一部は、経路６１に抜き出され、過冷器２３で冷却され、減圧弁６２で減圧後に第一蒸留塔１１の中段部に還流液として導入される。第三間接熱交換器１５で気化した第三原料空気は、経路５０から主熱交換器２２を通り、経路５１から膨張タービン１６に導入され、膨張して寒冷を発生した後、経路５２を通って第二蒸留塔１２の中段部に導入される。
【００３９】
図３は、本発明の空気分離方法を実施可能な空気分離装置の第３形態例を示す系統図であって、第一蒸留塔１１と第二蒸留塔１２との間に、サーモサイフォン型熱交換器を採用した第三間接熱交換器１５を配置した例を示している。
【００４０】
本形態例においても、第三間接熱交換器１５には、第一蒸留塔１１の頂部から経路３７に抜き出した窒素ガスの一部（第三窒素ガス）を、経路３８に分流させて導入するとともに、第二間接熱交換器１４で液化して経路４９に分流した液化空気の一部（第三液化空気）を減圧弁２８で減圧して導入している。
【００４１】
第三間接熱交換器１５での間接熱交換によって液化して経路５３に導出された液化窒素（第二液化窒素）は、第一間接熱交換器１３での間接熱交換によって液化して経路４０に導出された液化窒素（第一液化窒素）と合流し、一部が経路５４に分流して第一蒸留塔１１の塔頂部に戻され、残部の液化窒素が、経路５５から過冷器２３、減圧弁３０を通って第二蒸留塔１２の頂部に導入される。
【００４２】
また、第三間接熱交換器１５で未気化の第三液化空気の一部は、経路６１に抜き出され、過冷器２３で冷却され、減圧弁６２で減圧後に第一蒸留塔１１の中段部に還流液として導入される。第三間接熱交換器１５で気化した第三原料空気は、経路５０から主熱交換器２２を通り、経路５１から膨張タービン１６に導入され、膨張して寒冷を発生した後、経路５２を通って第二蒸留塔１２の中段部に導入される。
【００４３】
図４は、本発明の空気分離方法を実施可能な空気分離装置の第４形態例を示す系統図であって、第１形態例〜第３形態例では、第二蒸留塔１２の底部に配置していた第二間接熱交換器１４を、第二蒸留塔１２とは別に配置した例を示している。
【００４４】
本形態例は、前記第１形態例と同様に、第二間接熱交換器１４には、低温圧縮機１７で第一圧力より高い第三圧力に圧縮された第二原料空気が経路３５から導入されるとともに、第二蒸留塔１２の底部から経路４１を通って第二液化酸素が気液接触部１４ａの上方に導入される。第二間接熱交換器１４で液化した液化空気は、経路４６に抜き出された後、経路４７の第一液化空気と、経路４８の第二液化空気と、経路４９の第三液化空気とに分流する。また、気化した第二酸素ガスの一部は、経路４２から主熱交換器２２を通って熱回収された後、経路４３から製品酸素ガスとして採取される。第二酸素ガスの残部は、気液接触部１４ａを上昇ガスとして通過した後、弁２５を有する経路４４を通って第二蒸留塔１２の下部に上昇ガスとして導入される。さらに、第二液化酸素は、少量が保安液酸として経路４５から抜き出される。
【００４５】
図５は、本発明の空気分離方法を実施可能な空気分離装置の第５形態例を示す系統図であって、製品として、酸素ガスと窒素ガスとを採取するように構成した例を示している。
【００４６】
本形態例に示す第二蒸留塔は、該第二蒸留塔１２の頂部から経路５８に高純度の窒素ガスを導出するとともに、頂部より数段下の位置から経路５９に低純度の窒素ガスを導出するように形成している。経路５８に導出された高純度の窒素ガスは、過冷器２３及び主熱交換器２２で熱回収された後、経路６０から製品窒素ガスとして導出され、経路５９に導出された低純度の窒素ガスは、過冷器２３及び主熱交換器２２で熱回収された後、経路５７から廃ガスとして導出される。
【００４７】
図６は、本発明の空気分離方法を実施可能な空気分離装置の第６形態例を示す系統図であって、装置への寒冷の補給を、前記寒冷発生回路１８に代えて、外部からの液体窒素の注入によって行うようにした例を示している。
【００４８】
すなわち、本形態例では、前記第一〜第５形態例で設置していた寒冷発生回路１８を設けずに、第二蒸留塔１２の頂部に、外部から弁６１を介して液体窒素を導入する経路６２を設け、該経路６２から導入される液体窒素によって必要な寒冷を補給するようにしている。また、本形態例では、前記第５形態例と同様に、製品として、酸素ガスと窒素ガスとを採取するようにしている。
【００４９】
以上の各形態例に示したように、第二間接熱交換器１４に温流体として導入する原料空気を、圧縮、精製、冷却した後、低温圧縮機１７で圧縮した第二原料空気としているので、圧縮に要する動力を少なくすることができ、原料空気を常温で必要な圧力まで昇圧する場合に比べて、圧縮動力の低減及び圧縮機の小型化を図ることができる。また、低温圧縮する流体を原料空気としているため、例えば、窒素ガスを低温圧縮するときのようなガス置換操作が不要であり、装置の起動を短時間で行うことができる。さらに、第三原料空気を膨張させる膨張タービン１６で低温圧縮機１７を駆動することにより、第二原料空気を低温圧縮するためのエネルギーが不要となる。また、第一間接熱交換器１３と第三間接熱交換器１５とを一体的に製作することもでき、一体的に製作した間接熱交換器は、第二蒸留塔の内部又は外部に設置することが可能である。
【００５０】
また、第３形態例や第４形態例に示すように、間接熱交換器の収納用器を蒸留塔とは別に形成することにより、蒸留塔の全体高さを低くすることができ、保冷外槽の高さを低くすることができる。
なお、各部の圧力や温度、流量などは、装置規模や製品採取量などの各種条件に応じて適宜最適な状態に設定されるものであり、また、第一蒸留塔と第二蒸留塔とを上下に重ねて一体化することもでき、各間接熱交換器も、適宜一体的に形成することが可能である。
【実施例１】
【００５１】
図１の第１形態例に示した構成の装置と、図７に示した従来の基本的な構成の装置と、図８に示したＡＢプロセスを採用した装置とにおける運転動力を比較した。装置仕様は、酸素純度９５％の製品酸素ガスを１５０００Ｎｍ３／ｈで採取する仕様とした。比較結果を表１に示す。なお、［Ｎｍ３］は、標準状態に換算したガスの体積［ｍ３］を表している。また、表中の運転動力は、図７の例を１００としたときの相対値である。
【００５２】
【表１】
2015114083.tif 000003
【実施例２】
【００５３】
図５の第５形態例に示した構成の装置と、図７に示した従来の基本的な構成の装置と、図８に示したＡＢプロセスを採用した装置とにおける運転動力を比較した。装置仕様は、酸素純度９５％の製品酸素ガスを１５０００Ｎｍ３／ｈで採取する仕様とした。比較結果を表２に示す。
【００５４】
【表２】
2015114083.tif 000004
【実施例３】
【００５５】
図６の第６形態例に示した構成の装置と、図７に示した従来の基本的な構成の装置と、図８に示したＡＢプロセスを採用した装置とにおける運転動力を比較した。装置仕様は、酸素純度９５％の製品酸素ガスを１５０００Ｎｍ３／ｈで採取する仕様とした。比較結果を表３に示す。
【００５６】
【表３】
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【符号の説明】
【００５７】
１１…第一蒸留塔、１２…第二蒸留塔、１３…第一間接熱交換器、１４…第二間接熱交換器、１５…第三間接熱交換器、１６…膨張タービン、１７…低温圧縮機、１８…寒冷発生回路、２０…空気圧縮機、２１…精製設備、２２…主熱交換器、２３…過冷器 
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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