(57)【要約】【課題】原料空気を圧縮、不純物除去、冷却・液化し、精留分離を行って酸素または／および窒素を製品ガスとして製造するガス深冷分離システムとして、原料空気圧縮機の消費動力を的確に低減し、消費動力原単位の向上を図ることができるガス深冷分離システムを提供する。【解決手段】製品として利用されないで大気放散される未利用排ガスを循環水と直接接触させて循環水を冷却するシャワーリング方式の直接接触式冷水生成装置１１と、直接接触式冷水生成装置１１で生成された低温の循環水を原料空気圧縮機３０の入口の原料空気と熱交換させて原料空気を冷却する原料空気冷却装置１２と、直接接触式冷水生成装置１１と原料空気冷却装置１２の間で循環水を循環させるための循環水用配管１３、１４とポンプ１５を備えている。【選択図】図１
2008164263.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料空気を圧縮、不純物除去、冷却・液化し、精留分離を行って酸素または／および窒素を製品ガスとして製造するガス深冷分離システムにおいて、
製品として利用されないで大気放散される未利用排ガスを循環水と直接接触させて循環水を冷却する直接接触式冷水生成手段と、
該直接接触式冷水生成手段で生成された低温の循環水を原料空気圧縮機の入口の原料空気と熱交換させて原料空気を冷却する原料空気冷却手段と
を備えていることを特徴とするガス深冷分離システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気を圧縮、不純物除去、冷却・液化し、精留分離を行って酸素や窒素を製造するガス深冷分離システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
空気（大気）を原料とし、その原料空気を圧縮、不純物除去、冷却・液化し、精留分離を行って酸素または／および窒素を製品ガスとして製造するガス深冷分離システムでは、例えば、原料空気が原料空気圧縮機で圧縮・昇圧された後、水洗塔で冷却され、分子篩吸着器で二酸化炭素と水分を除去される。そして、熱交換器で製品酸素および製品窒素と熱交換して冷却・液化された後、精留塔に送られる。そして、精留塔で窒素と酸素が抽出される。
【０００３】
その際に、原料空気圧縮機の製品ガス量当たりの動力は、原料空気の温度・湿度が低いほど（すなわち、原料空気の密度が高いほど、水分量が少ないほど）少なくなる。そのため、高温・高湿となる夏季には圧縮機の動力が大きくなって、ガス深冷分離システムの消費動力原単位が大きくなることが問題となっている。
【０００４】
一方、ガス深冷分離システムにおいて、液化精留分離された後に製品として利用しない成分ガス（非製品ガス）は、その冷熱を回収してはいるが、その非製品ガスの量はガス深冷分離システムの操業条件やガス需要によって変動するため、非製品ガス量が増大した場合等には、十分に冷熱回収されることなく、原料空気（大気）よりも低温、低湿の状態で未利用排ガスとして大気放散されていた。
【０００５】
そこで、特許文献１には、この低温、低湿の未利用排ガスを利用して、原料空気を冷却、除湿し、ガス深冷分離システムの消費動力原単位を低減する技術が開示されている。すなわち、図３に示すように、未利用排ガスと原料空気を全熱交換器４０に導入し、原料空気の熱量と湿分を未利用排ガスに移行させるようにしている。
【特許文献１】特開平１０−２６７５２７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、特許文献１に記載の技術のように全熱交換器を用いた場合、未利用排ガスから原料空気側へのリークが不可避である。そのようなリークがあると、折角分離した成分ガスが再度液化精留分離工程に流入することになり、製品ガスの収率が低下し、製品ガス量あたりの消費動力の増大を来たす。
【０００７】
また、上記のリークを完全に防止するためには、全熱交換器に替えて、図４に示しように、顕熱交換器５０を用いて顕熱のみを熱交換する方法があるが、この場合、未利用排ガスの低湿度という利点を有効に利用できず、原料空気圧縮機の消費動力の低減効果が限られる。
【０００８】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、原料空気を圧縮、不純物除去、冷却・液化し、精留分離を行って酸素または／および窒素を製品ガスとして製造するガス深冷分離システムとして、原料空気圧縮機の消費動力を的確に低減し、消費動力原単位の向上を図ることができるガス深冷分離システムを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。
【００１０】
［１］原料空気を圧縮、不純物除去、冷却・液化し、精留分離を行って酸素または／および窒素を製品ガスとして製造するガス深冷分離システムにおいて、
製品として利用されないで大気放散される未利用排ガスを循環水と直接接触させて循環水を冷却する直接接触式冷水生成手段と、
該直接接触式冷水生成手段で生成された低温の循環水を原料空気圧縮機の入口の原料空気と熱交換させて原料空気を冷却する原料空気冷却手段と
を備えていることを特徴とするガス深冷分離システム。
【発明の効果】
【００１１】
本発明においては、未利用排ガスの低温で低湿という両利点を有効に活かしつつ、かつ原料空気への未利用排ガスのリーク（混入）なしに、原料空気を十分低温まで冷却することができる。それにより、原料空気圧縮機の消費動力を的確に低減し、消費動力原単位の向上を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の第１の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１３】
この実施形態におけるガス深冷分離システムでは、原料空気が原料空気圧縮機で圧縮・昇圧された後、水洗塔で冷却され、分子篩吸着器で二酸化炭素と水分を除去される。そして、熱交換器で製品酸素および製品窒素と熱交換して冷却・液化された後、精留塔に送られる。そして、精留塔で製品窒素と製品酸素が抽出される。
【００１４】
その際に、図１に示すように、原料空気圧縮機３０に供給される原料空気を事前処理するための原料空気事前処理装置１０が設けられている。この原料空気事前処理装置１０は、製品として利用されないで大気放散される未利用排ガス（例えば、製品として利用されない窒素ガス）を循環水と直接接触させて循環水を冷却するシャワーリング方式の直接接触式冷水生成装置１１と、直接接触式冷水生成装置１１で生成された低温の循環水（冷却水）を原料空気圧縮機３０の入口の原料空気と熱交換させて原料空気を冷却する原料空気冷却装置１２と、直接接触式冷水生成装置１１と原料空気冷却装置１２の間で循環水を循環させるための循環水用配管１３、１４とポンプ１５を備えている。
【００１５】
これによって、直接接触式冷水生成装置１１において、冷却水が未利用排ガスと直接接触して冷却される。この際、未利用排ガスは低湿であり、その湿球温度は乾球温度（未利用排ガス温度）より著しく低温度となっている。このため、未利用排ガスと直接接触する冷却水を湿球温度近くまで冷却することができる。すなわち、未利用排ガスの低温のみならず低湿という利点も有効利用しつつ冷却水を冷却することが可能となる。
【００１６】
そして、直接接触式冷水生成装置１１で冷却された冷却水は循環水用配管１３を経由して原料空気冷却装置１２に送られ、原料空気冷却装置１２において、その冷却水により原料空気が冷却される。
【００１７】
そして、原料空気冷却装置１２で冷却された原料空気は原料空気圧縮機３０に供給され、原料空気圧縮機３０で圧縮・昇圧された後、液化精留分離工程に送られる。一方、原料空気冷却装置１２で原料空気と熱交換した冷却水は、循環水用配管１４を経由して直接接触式冷水生成装置１１に送られる。
【００１８】
このようにして、この実施形態においては、未利用排ガスの低温で低湿という両利点を有効利用して冷却された冷却水によって原料空気が冷却されるので、原料空気を十分低温まで冷却することができる。また、原料空気は未利用排ガスと直接接触することなく冷却水を介して冷却されるため、原料空気への未利用排ガスのリークも生じない。
【００１９】
なお、原料空気冷却装置１２における原料空気と冷却水の熱交換は直接接触式でも間接接触式でもよい。なお、図１では、間接接触式を示している。
【００２０】
ちなみに、直接接触式の場合は伝熱面が不要で、熱交換時の温度効率を高くしやすい。ただし、冷却水ミストの同伴を防止する構造が必要となる他、冷却後の原料空気は冷却温度の飽和湿度に相当する水分を含有することになり、条件によっては原料空気より絶対湿分が多くなる場合がある。絶対湿分の増大はリークと同様、製品と成り得ない成分を圧縮処理することになるため、システムの消費動力の増大につながる。
【００２１】
一方、間接接触式の場合は、一般的に直接接触式に比較して温度効率は低目となるが、冷却後の原料空気は飽和湿度以下となり得る。また直接接触式で問題となる冷却水ミストの同伴も回避できる。
【００２２】
図２は、本発明の第２の実施形態に示すものである。この第２の実施形態においては、図１に示した第１の実施形態における原料空気事前処理装置１０に替えて、直接接触式冷水生成と原料空気冷却を一体化した原料空気事前処理装置２０が設けられている。すなわち、原料空気事前処理装置２０は、製品として利用されないで大気放散される未利用排ガス（例えば、製品として利用されない窒素ガス）を循環水と直接接触させて循環水を冷却するシャワーリング方式の直接接触式冷水生成部（直接接触熱交換器）２１と、直接接触式冷水生成部２１で生成された低温の循環水（冷却水）を原料空気圧縮機３０の入口の原料空気と間接熱交換させて原料空気を冷却する間接接触式原料空気冷却部（間接熱交換器）２２と、直接接触式冷水生成部２１と間接接触式原料空気冷却部２２の間で循環水を循環させるための循環水用配管２３とポンプ２５を備えている。
【００２３】
なお、ここでは、原料空気冷却部２２について、未利用排ガスが原料空気に混入することを防止するために、間接接触式としている。
【００２４】
これによって、この第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、未利用排ガスの低温で低湿という両利点を有効利用して冷却された冷却水によって原料空気が冷却されるので、原料空気を十分低温まで冷却することができる。また、原料空気は未利用排ガスと直接接触することなく冷却水を介して冷却されるため、原料空気への未利用排ガスのリークも生じない。
【００２５】
なお、上述した第１の実施形態および第２の実施形態は、主製品が酸素であるガス深冷分離システム、主製品が窒素であるガス深冷分離システム、主製品が酸素と窒素の両方であるガス深冷分離システムのいずれにおいても適用することができる。
【００２６】
そして、未利用排ガス量が多少でもあればその効果を発現するものであり、未利用排ガス量がガス深冷分離システムの操業条件やガス需要によって変動するとしても、有効にシステムの消費動力削減に寄与させることが可能である。
【００２７】
以下に、本発明の定量的な効果について述べる。
【００２８】
例えば、主製品が酸素であるガス深冷分離システムにおいては、製品として使用しない窒素（未利用排ガス）は深冷分離後の低温・冷熱を１０℃程度まで回収された後、大気放散されており、その窒素（廃窒素）は絶対湿度がほぼ０ｋｇ／ｋｇとなっている。
【００２９】
そこで、夏季の高温・高湿の原料空気を上記廃窒素を用いて冷却・除湿する場合の動力削減効果を試算してみる。
【００３０】
ここで、原料空気と廃窒素の条件は下記の如くである。
（ａ）原料空気条件：
流量１２８，０００ｍ３／ｈ、温度３０℃、絶対湿度０．０１９ｋｇ／ｋｇ（ＤＡ）、
湿球温度２５．６℃
（ｂ）廃窒素条件：
流量４８，０００ｍ３／ｈ、温度１２℃、絶対湿度０ｋｇ／ｋｇ、
湿球温度１．５℃
そして、図１または図２に示した本発明のガス深冷分離システム（本発明システム）と、図３に示した全熱交換器４０を用いた場合（従来システム１）と、図４に示した顕熱交換器５０を用いた場合（従来システム２）とで動力削減効果を比較する。
【００３１】
各システムの条件は下記の如くである。
（１）本発明システム
直接接触式冷水生成装置での冷却水と廃窒素（顕球温度）の平均温度差：３．５℃
原料空気冷却装置における原料空気と冷却水の平均温度差：１２℃
原料空気冷却装置の入口と出口の冷却水温度差：５℃
（２）従来システム１（全熱交換器）
全熱交換効率：０．７６
廃窒素流量と同量の原料空気を熱交換し、残りは全熱交換器をバイパス後に混合
（３）従来システム２（顕熱交換器）
顕熱交換効率：０．６１
廃窒素流量と同量の原料空気を熱交換し、残りは顕熱交換器をバイパス後に混合
上記の条件のもとに試算した結果を表１に示す。
【００３２】
【表１】
2008164263.tif 000003
【００３３】
表１に示すように、従来システム１では、圧縮機動力の削減効果は２．５２％と大きいが、リークによる動力増加が１．０％あるために、実質的な動力削減効果は１．５２％とそれほど大きくならない。また、従来システム２では、廃窒素の低湿度という利点を有効に利用できないことから、動力削減効果は１．３５％にとどまってしまう。
【００３４】
これに対して、本発明システムでは、廃窒素の低温で低湿という両利点を有効に活かしつつ、原料空気への廃窒素のリークもなしに原料空気を十分低温まで冷却することができることから、実質的な動力削減効果が２．５４％となり、従来システム１、２に比べて高い動力削減効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態を示す図である。
【図２】本発明の他の実施形態を示す図である。
【図３】従来技術を示す図である。
【図４】他の従来技術を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  原料空気事前処理装置
１１  直接接触式冷水生成装置
１２  原料空気冷却装置
１３  循環水用配管
１４  循環水用配管
１５  ポンプ
２０  原料空気事前処理装置
２１  直接接触式冷水生成部
２２  間接接触式原料空気冷却部
２３  循環水用配管
２５  ポンプ
４０  全熱交換器
５０  顕熱交換器
【図１】
2008164263.tif 000004
【図２】
2008164263.tif 000005
【図３】
2008164263.tif 000006
【図４】
2008164263.tif 000007