(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料空気を酸素と窒素に分離する高圧蒸留塔と低圧蒸留塔と、該高圧蒸留塔で分離されたガス窒素を、該低圧蒸留塔で分離された液体酸素を蒸発させることで液化する凝縮器、および、圧縮された原料空気を熱源とし、酸素および／または窒素を昇温させて製品ガスとする熱交換器を備えた空気分離装置において、
前記高圧蒸留塔と前記低圧蒸留塔の間であって低圧蒸溜塔の内部に、上下に複数の凝縮器容器を備え、該凝縮器容器内に凝縮器が夫々設置されていると共に、
各凝縮器には、前記高圧蒸留塔内のガス窒素を導入する導管と、該凝縮器で得られる液体窒素を抜き出す導管が設けられており、
且つ凝縮器の中で最も下に設置した凝縮器は高さが１２００ｍｍ以下であって凝縮器の底部から液表面までの高さは液体酸素の沸点上昇が１℃未満となるような高さとし、他の凝縮器は、凝縮器の底部から液表面までの最大高さが１２００ｍｍ超となるようにしたことを特徴とする空気分離装置。
【請求項２】
前記低圧蒸留塔で分離された液体酸素を前記凝縮器容器の中で最も上に設置した凝縮器容器内に流入させる手段と、上側の凝縮器容器からその余剰液体酸素を下側の凝縮器容器に流下させる手段が設けられている請求項１に記載の空気分離装置。
【請求項３】
原料空気を酸素と窒素に分離する高圧蒸留塔と低圧蒸留塔と、該高圧蒸留塔で分離されたガス窒素と該高圧蒸留塔に導入される空気を、該低圧蒸留塔で分離された液体酸素を蒸発させることで液化する凝縮器、および、圧縮された原料空気を熱源とし、酸素および／または窒素を昇温させて製品ガスとする熱交換器を備えた空気分離装置において、
前記高圧蒸留塔と前記低圧蒸留塔の間であって低圧蒸溜塔の内部に、上下に複数の凝縮器容器を備え、該凝縮器容器内に凝縮器が夫々設置されていると共に、最も下に設置した凝縮器には、空気を導入する導管と、該凝縮器で得られる液体空気を高圧蒸留塔低部に導入する導管が設けられており、また最も下に設置した凝縮器以外の各凝縮器には、前記高圧蒸留塔内のガス窒素を導入する導管と、該凝縮器で得られる液体窒素を抜き出す導管が夫々設けられていると共に、前記ガス窒素を導入する導管が設けられている凝縮器の中で、最も下に設置した凝縮器の高さを１２００ｍｍ以下であって凝縮器の底部から液表面までの高さは液体酸素の沸点上昇が１℃未満となるような高さとし、他の凝縮器は、凝縮器の底部から液表面までの最大高さが１２００ｍｍ超となるようにしたことを特徴とする空気分離装置。
【請求項４】
前記低圧蒸留塔で分離された液体酸素を、該低圧蒸留塔内における前記凝縮器容器の中で最も上に設置した凝縮器容器内に流入させる手段と、
前記低圧蒸留塔内における上側の凝縮器容器からその余剰液体酸素を下側の凝縮器容器に流下させる手段が設けられている請求項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、原料空気から酸素や窒素を分離するための空気分離装置に関し、より詳細には、高圧蒸留塔で分離されたガス窒素を低圧蒸留塔で分離される液体酸素と熱交換させて液化する凝縮器が設置されている空気分離装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電設備や製鉄所の如く大量の酸素が消費される工場には、場内に酸素自給のための酸素製造設備を併設することが多く、該酸素製造設備として最も汎用されているのは、空気を原料として酸素を得ることができ、しかも副産物として大量の窒素を得ることのできる空気分離装置である。この空気分離装置は、その規模や付帯設備の性能などによって酸素生産能力や純度は異なる。
【０００３】
一般的な空気分離プロセスとしては、図５に示す様な構成が知られている。原料空気は空気圧縮機１で圧縮された後、吸着器２で水分や炭酸ガス等が除去された後、主熱交換器３へ送られる。この主熱交換器３で原料空気は液化温度近傍まで冷却され、導管９を通して精留塔４へ送られると共に、その原料空気の一部はタービン駆動昇圧機１９へ送られると共に、主熱交換器３で冷却され、更に膨張タービン５により減圧されて一層冷却されてから低圧蒸留塔７の中間部へ送られる。精留塔４は高圧蒸留塔（下塔）６と低圧蒸留塔（上塔）７、およびこれら両者間で熱交換を行なう凝縮器８を備えており、冷却された前記圧縮原料空気は高圧蒸留塔６の下部へ導入される。そして圧縮原料空気は高圧蒸留塔６内を上昇する間に高圧蒸留塔６を降下する液体窒素と気液接触し、次第にその窒素濃度が高められ、高圧蒸留塔６頂部では高純度ガス窒素となる。このガス窒素は導管２１を通して凝縮器８に入り、低圧蒸留塔７の底部に溜まった液体酸素と熱交換して凝縮することにより液体窒素となる。この液体窒素は、その一部が還流液として低圧蒸留塔７頂部へ導管２４を通して供給され、残部は還流液として高圧蒸留塔６頂部（２３）へ戻される。この還流液は、高圧蒸留塔６を下っていく間に該高圧蒸留塔６内を上昇してくる原料空気と気液接触して酸素濃度が高められ、高圧蒸留塔６の底部に酸素濃度が高められた液体空気となって貯められる。そしてこの液体空気は高圧蒸留塔６底部から抜き出され、低圧蒸留塔７の中部へ導管２５を通して供給される。この液体空気は、低圧蒸留塔７の中部から下方へ流れる間に酸素が濃縮されて低圧蒸留塔７底部には高純度の液体酸素が溜まる。この液体酸素は、上記凝縮器８のガス窒素と熱交換してガス化した後、塔内を上昇し、導入された上記液体空気や頂部に供給された液体窒素と接触する。また低圧蒸留塔７底部で蒸発したガス酸素は導管１５を通して抜き出されて主熱交換器３へ送られ、この主熱交換器３で原料空気との熱交換によって昇温した後、製品ガス酸素（Ｏ2ガス）として需要先へ送られる。一方、低圧蒸留塔７の頂部からは高純度ガス窒素が抜き出され、この高純度ガス窒素は導管２７を通して主熱交換器３へ送られ、この主熱交換器３によって昇温した後、製品ガス窒素（Ｎ2ガス）として需要先に供給される。
【０００４】
この様な空気分離プロセスにおいては、生産効率向上だけでなく、生産コストの削減も求められている。そこで、空気分離装置に設置されているタービン駆動昇圧機１９やタービン５（高速回転装置）を用いずに、寒冷を発生させることによって、該タービン駆動昇圧機１９やタービン５の設備コストを削減する技術が提案されている（例えば特許文献１）。この技術によれば、空気分離装置外から液体酸素または液体窒素を導入し、その蒸発潜熱と常温までの顕熱を利用して寒冷を発生させることができ、従来の寒冷発生手段であるタービン駆動昇圧機１９やタービン５が不要となることから、空気分離装置の操業コストを低減できる。
【特許文献１】特開２００３−２９４３６０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、空気分離装置の稼動にあたっては、空気圧縮機（原料空気を圧縮する装置）が必須的に用いられており、この空気圧縮機の稼動に伴う電気使用量が稼動コストの大半を占めることから、該空気圧縮機の稼動コストを削減することが課題となっていた。
【０００６】
即ち、従来の空気分離装置では、液体酸素とガス窒素を熱交換して凝縮する凝縮器が備えられており、効率的な凝縮を行なうためには該凝縮器が浸漬する程度の液体酸素が必要となるが、液体酸素の液高さ（液深）が高くなると、凝縮器下部における液体酸素の圧力が高くなって液体酸素の沸点が上昇する。その結果、該液体酸素により冷却してガス窒素を凝縮して液化するのに必要な温度も高くなる。高圧蒸留塔内のガス窒素の液化温度を上昇するには、高圧蒸留塔内のガス窒素圧力を高くする必要があるため、それに対応して高圧蒸留塔へ導入する原料空気の圧力を高めなければならず、空気圧縮機の稼動コストが高くなるという問題が生じていた。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的はガス窒素の液化温度を低下させることで空気圧縮機の吐出圧力を低下させ、空気圧縮機の稼動コストを抑えることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、原料空気を酸素と窒素に分離する高圧蒸留塔と低圧蒸留塔と、該高圧蒸留塔で分離されたガス窒素を、該低圧蒸留塔で分離された液体酸素を蒸発させることで液化する凝縮器、および、圧縮された原料空気を熱源とし、酸素および／または窒素を昇温させて製品ガスとする熱交換器を備えた空気分離装置において、前記高圧蒸留塔と前記低圧蒸留塔の間に複数の凝縮器容器を備え、該凝縮器容器内に凝縮器が夫々設置されていると共に、各凝縮器には、前記高圧蒸留塔内のガス窒素を導入する導管と、該凝縮器で得られる液体窒素を抜き出す導管が設けられており、且つ凝縮器の中で最も下に設置した凝縮器の高さが１２００ｍｍ以下であることに要旨を有する空気分離装置である。
【０００９】
この際、前記低圧蒸留塔で分離された液体酸素を前記凝縮器容器の中で最も上に設置した凝縮器容器内に流入させる手段と、上側の凝縮器容器からその余剰液体酸素を下側の凝縮器容器に流下させる手段が設けられていることが望ましい。
【００１０】
また本発明の空気分離装置は、原料空気を酸素と窒素に分離する高圧蒸留塔と低圧蒸留塔と、高圧蒸留塔で分離されたガス窒素を、該低圧蒸留塔で分離された液体酸素を蒸発させることで液化する凝縮器、および、圧縮された原料空気を熱源とし、前記酸素および／または窒素を気化させて製品ガスとする熱交換器を備えた空気分離装置において、前記高圧蒸留塔と前記低圧蒸留塔の間に複数の凝縮器容器を備え、該凝縮器容器内に凝縮器が夫々設けられていると共に、各凝縮器には、前記高圧蒸留塔内のガス窒素を導入する導管と、該凝縮器で得られる液体窒素を抜き出す導管と、上側の凝縮器容器からその余剰液体酸素を下側の凝縮器容器に流下させる手段が設けられており、また前記凝縮器容器の中で最も上に設置した凝縮器容器内に前記低圧蒸留塔で分離された液体酸素を流入させる手段が設けられていることが好ましい。
【００１１】
更に本発明は、原料空気を酸素と窒素に分離する高圧蒸留塔と低圧蒸留塔と、該高圧蒸留塔で分離されたガス窒素と該高圧蒸留塔に導入される空気を、該低圧蒸留塔で分離された液体酸素を蒸発させることで液化する凝縮器、および、圧縮された原料空気を熱源とし、酸素および／または窒素を昇温させて製品ガスとする熱交換器を備えた空気分離装置において、前記高圧蒸留塔と前記低圧蒸留塔の間に複数の凝縮器容器を備え、該凝縮器容器内に凝縮器が夫々設置されていると共に、最も下に設置した凝縮器には、空気を導入する導管と、該凝縮器で得られる液体空気を高圧蒸留塔低部に導入する導管が設けられており、また最も下に設置した凝縮器以外の各凝縮器には、前記高圧蒸留塔内のガス窒素を導入する導管と、該凝縮器で得られる液体窒素を抜き出す導管が夫々設けられていると共に、前記ガス窒素を導入する導管が設けられている凝縮器の中で、最も下に設置した凝縮器の高さを１２００ｍｍ以下とすることに要旨を有する空気分離装置である。
【００１２】
また空気分離装置は、原料空気を酸素と窒素に分離する高圧蒸留塔と低圧蒸留塔と、該高圧蒸留塔で分離されたガス窒素や、該高圧蒸留塔に導入される空気を、該低圧蒸留塔で分離された液体酸素を蒸発させることで液化する凝縮器、および、圧縮された原料空気を熱源とし、酸素および／または窒素を昇温させて製品ガスとする熱交換器を備えた空気分離装置において、前記高圧蒸留塔と前記低圧蒸留塔の間に複数の凝縮器容器を備え、最も下の凝縮器容器を除く各凝縮器容器内に凝縮器が夫々設置されていると共に、各凝縮器容器に設置した凝縮器には、前記高圧蒸留塔内のガス窒素を導入する導管と、該凝縮器で得られる液体窒素を抜き出す導管が夫々設けられており、また前記蒸留塔の塔外には、凝縮器を内設した凝縮器容器を有し、この塔外の凝縮器容器には、前記最も下の凝縮器容器内の液体酸素を導入する導管と、該塔外の凝縮器容器内で蒸発したガス酸素を抜出す導管が設けられていると共に、この塔外の凝縮器容器に内設された凝縮器には、圧縮された原料空気を導入する導管と、この凝縮器で得られる液体空気を高圧蒸留塔低部に導入する導管とが設けられており、前記低圧蒸留塔で分離された液体酸素を、該低圧蒸留塔内における前記凝縮器容器の中で最も上に設置した凝縮器容器内に流入させる手段と、前記低圧蒸留塔内における上側の凝縮器容器からその余剰液体酸素を下側の凝縮器容器に流下させる手段が設けられていても良い。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、上下に複数の凝縮器を設置することによって各凝縮器における液体酸素の液高さ（液深）によって生じていた凝縮器下部での液体酸素の沸点上昇を抑制できる。その結果、液体酸素との熱交換により凝縮する窒素の液化温度を低下できる。また上下に複数の凝縮器を設置すると、上側に設置する凝縮器では、規定純度より低濃度の液体酸素を蒸発させるため窒素の液化温度を低減できる。更に最も下に設置した凝縮器に導入する凝縮液化用ガスとして、該凝縮器よりも上側に設置した凝縮器に導入する高圧蒸留塔頂部のガス窒素ではなく、高圧蒸留塔底部に導入する圧縮空気を利用することで、該上側に設置した凝縮器に導入するガス窒素の液化温度を低減でき、ひいては高圧蒸留塔内のガス窒素の圧力上昇を抑制でき、空気圧縮機の吐出圧力を低減できるので、空気圧縮機の稼動コストの削減が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明者らは、従来の凝縮器容器を設置していた箇所に従来よりも小型の複数の凝縮器容器を上下（垂直方向）に設置すると共に、該凝縮器容器内に従来よりも高さの低い凝縮器を夫々設置し、少なくとも窒素ガスを導入する導管が設けられている凝縮器の中で１番下に設置する凝縮器の高さを１２００ｍｍ以下とすれば、液体酸素の沸点上昇が抑制されて窒素の液化温度を低減でき、空気圧縮機の吐出圧力を低減できることを見出した。
【００１５】
具体的には、高圧蒸留塔と低圧蒸留塔の間に、複数の凝縮器容器を設置し、該各凝縮器容器内に凝縮器を設置すると共に、各凝縮器に、前記高圧蒸留塔内のガス窒素を導入する導管と、該凝縮器で得られる液体窒素を抜き出す導管を設け、且つ少なくとも凝縮器の中で最も下に設置した凝縮器の高さが１２００ｍｍ以下となる様に構成することが、空気圧縮機の吐出圧力の低減に効果がある。
【００１６】
また液体酸素濃度が低い程、液体酸素の沸点が低いことから、上記複数の凝縮器容器を設置した場合に、上方側に設置した凝縮器容器内の液体酸素を効率的に利用することで、効果的に下方側に設置した凝縮器における窒素の液化温度を低減でき、空気圧縮機の吐出圧力を効果的に削減できることを見出した。
【００１７】
具体的には上記複数の凝縮器容器と凝縮器を設置した場合に、上側の凝縮器容器から下側の凝縮器容器に液体酸素を流下させる手段を設けることが空気圧縮機の吐出圧力の低減に効果がある。また凝縮器容器の中で最も上に設置した凝縮器容器内に前記低圧蒸留塔で分離された液体酸素を流入させる手段を設けることで、液体酸素の効率的な利用が図れる。
【００１８】
更に一番下に設置する凝縮器に導入する凝縮液化用ガスとして、高圧蒸留塔に導入する圧縮空気を利用することで、窒素の液化温度を低下できるので、空気圧縮機の吐出圧力を低減でき、最終的に高圧蒸留塔へ原料空気を送給する空気圧縮機の稼動コストの低減に生かされることを見出した。
【００１９】
具体的には高圧蒸留塔と低圧蒸留塔の間に、複数の凝縮器容器を設置し、該各凝縮器容器内に凝縮器を夫々設置すると共に、最も下に設置した凝縮器に、空気を導入する導管と、該凝縮器で得られる液体空気を高圧蒸留塔低部に導入する導管を設け、且つ最も下に設置した凝縮器以外の各凝縮器に、前記高圧蒸留塔内のガス窒素を導入する導管と、該凝縮器で得られる液体窒素を抜き出す導管を夫々設けると共に、窒素ガスを導入する導管が設けられている凝縮器の中で、少なくとも最も下に設置した凝縮器の高さを１２００ｍｍ以下とすることが、空気圧縮機の吐出圧力の低減に効果がある。また該空気を導入する導管が設けられている最も下に設置した凝縮器を塔外に設けた凝縮器容器内に設置し、該凝縮器容器には、最も下の凝縮器容器内の液体酸素を導入する導管と、該凝縮器容器内で蒸発したガス酸素を抜出す導管を設けると共に、該凝縮器容器に内設された凝縮器には、圧縮された原料空気を導入する導管と、該凝縮器で得られる液体空気を高圧蒸留塔低部に導入する導管とを設けることによって、高圧蒸留塔頂部の窒素の液化温度の低下を図り、空気圧縮機の稼動コストの低減を図ると共に、効率的な製品ガスの製造を行なうことができる。
【００２０】
以下、実施例図面を参照しつつ本発明を具体的に説明するが、本発明はもとより図示例に制限されるわけではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００２１】
まず図１に例示する装置に基づいて空気分離装置の定常運転を説明する。原料空気は図示しないエアフィルターを通して原料空気圧縮機１に導入し、例えば０．４〜１．２ＭＰａＡ程度にまで圧縮され、続く吸着器２で水分や炭酸ガスが除去された後、主熱交換器３へ送られる。主熱交換器３へ送られた圧縮空気は低圧蒸留塔７から送出されるガスにより液化温度付近まで冷された後、高圧蒸留塔６の低部へ供給される。
【００２２】
尚、図示しないが原料空気の一部をタービン駆動昇圧機へ導入し、更に主熱交換器３で冷却した後、タービンでの断熱膨張による減圧によって一層冷却してから、低圧蒸留塔７の中間部に供給する様に構成してもよい。
【００２３】
高圧蒸留塔６の低部へ供給された圧縮空気は、高圧蒸留塔６内を上昇していく過程で、高沸点成分である酸素は凝縮して還流液となって流下し、残りの気体は窒素濃度が高められつつ塔頂へと上昇していく。他方、塔内を流下する液体空気に含まれている低沸点成分の窒素は、窒素濃度の高い上昇ガスに捕捉されつつ高圧蒸留塔６内を上昇するので、高圧蒸留塔６の底部には酸素濃度の高められた液体空気が貯留することになる。
【００２４】
こうして高圧蒸留塔６の上部にはガス窒素が滞留する。このガス窒素は管路２１により低圧蒸留塔７と高圧蒸留塔６の間（図示例では低圧蒸留塔７の下側）に配置された凝縮器へ導かれ、該凝縮器を設置した凝縮器容器に溜まっている液体酸素を加熱しつつ冷却されて液化し、液体窒素となって管路２２を降下して高圧蒸留塔６の上部２３へ戻る。尚、本発明の凝縮器の構成、作用については別途、図２等を参照しつつ詳述する。
【００２５】
上記液体窒素の一部は液体窒素供給路２４から低圧蒸留塔７の上部へ導かれ、残りは還流液として高圧蒸留塔６内を流下する。一方、高圧蒸留塔６の底部に溜まっている酸素濃度が高められた液体空気は、液体酸素供給路２５から減圧弁１０ａで減圧されてから低圧蒸留塔７の中間部へ供給される。
【００２６】
次に低圧蒸留塔７では、該塔の上部から供給される液体窒素が塔内を流下していく過程で、低沸点成分の窒素は気化して塔頂部方向へ上昇し、高沸点成分の酸素は液体のままで流下する。一方、低圧蒸留塔７の中間部に供給される液体酸素も同様にして成分分離が行なわれ、窒素は塔頂部方向へ、酸素は塔底部方向へ移動する。かくして、低圧蒸留塔７の塔頂部には高濃度の気体窒素が溜まり、塔底部には高濃度の液体酸素が溜まる。
【００２７】
尚、液体酸素は、最も下の凝縮器で蒸発し、蒸発した酸素は酸素供給路１５を通して抜出される。
【００２８】
抜出されたガス酸素は、主熱交換器３で圧縮空気との熱交換により昇温されて、製品酸素ガスとして取出される。他方、低圧蒸留塔７の塔頂部のガス窒素は、ガス窒素抜出路２７を通して、主熱交換器３へ導かれ、熱交換により昇圧されて製品ガス窒素として送出される。また低圧蒸留塔７内の残部ガス（窒素，酸素が混在するガス）は管路２９から抜出され、主熱交換器３で圧縮空気を冷却しつつ昇温されて大気に放出される。尚、該残部ガスの一部は必要に応じて管路２９から吸着器２へ送り、吸着材の再生ガスとして利用される。勿論、この空気分離装置は酸素、窒素のいずれか一方のみを原料空気から濃縮分離し、製品ガスとして取出す様に構成してもよい。
【００２９】
こうした空気分離装置において、採用する凝縮器の構成について本発明例である図２、及び従来例である図６を参照しつつ、説明する。
【００３０】
まず、従来の凝縮器の構成について図６を参照しつつ説明する。図示例では、低圧蒸留塔７を流下してきた液体酸素が滞留する塔下部が凝縮器容器となっており、凝縮器８は該凝縮器容器に設置されている。従来例で設置されている凝縮器８は１つだけであり、したがって低圧蒸留塔７下部における液体酸素の溜まり（凝縮器容器）も１つだけである。通常使用される凝縮器の高さは蒸留塔のサイズにもよるが、１５００ｍｍ〜４０００ｍｍ程度であるため、凝縮装置８の凝縮能力を維持するため塔下部に貯留させるべき液体酸素量も少なくとも凝縮器の高さと同程度（凝縮器が浸漬する程度）であり、そのため凝縮器底部側の液体酸素の液圧が高くなって、該液体酸素の液深部は沸点が上昇していた。その結果、凝縮器８の液深部側（凝縮器の底部側）で液体酸素により冷却されて生成する窒素の液化温度が相対的に高くなるという問題が生じていた。
【００３１】
そこで本発明では、図２に示す様に、凝縮器容器を上下に複数設置し、各凝縮器容器に凝縮器を夫々設置した。その結果、従来の単独凝縮器と同程度の凝縮能力を維持しつつ、各凝縮器近傍に滞留する液体酸素の液深を浅くすることができるので、液体酸素の液深が深い場合に問題となる上記液体酸素の深部側で生じる沸点上昇を解消できる。したがって液体酸素の蒸発潜熱により冷却されて生成する液体窒素の温度上昇も抑えられる。
【００３２】
尚、本発明ではガス窒素が導入される導管２１が接続されている凝縮器の中で少なくとも一番下に設置する凝縮器の高さを１２００ｍｍ以下とすることで、液体酸素の沸点上昇を１℃未満とすることができる。即ち、従来の凝縮器よりも高さの低い凝縮器を設置し、凝縮器の高さを低くするだけでなく、液体酸素濃度の最も高くなる一番下に設置する凝縮器の高さを制限することによって、凝縮能力維持のために必要な液体酸素量（液深）を液体酸素の沸点上昇が実質的に液体窒素の温度に問題を生じない程度（１℃未満）に抑えることができる。
【００３３】
ところで、複数の凝縮器容器及び凝縮器を設ける場合、高い酸素純度の製品ガスを得るには、低圧蒸留塔で分離されて流下してくる液体酸素の濃度を高めなくてはならない。そこで、低圧蒸留塔で分離された液体酸素を凝縮器容器の中で最も上に設置した凝縮器容器内に流入させる手段を設けると共に、上側の凝縮器容器からすぐ下側に設置した凝縮器容器に液体酸素を流下させる手段を講じることが望ましい。この際、上側の凝縮器容器内の液体酸素略全量が、すぐ下側に設置した凝縮器容器内に流れる様にすることが望ましい。
【００３４】
尚、本発明の様に上下に複数の凝縮器を設置する場合、液体酸素の濃度は順次濃縮されて下に行くほど高くなる。また液体酸素の酸素濃度が高い程、該液体酸素の蒸発温度が高くなる。したがって上側に設置した凝縮器と比べて、最も下に設置した凝縮器による液体酸素の蒸発に必要な温度は最も高くなるため、高圧蒸留塔６の塔頂部の圧力は、最も下に設置した凝縮器の窒素の液化温度に応じて決定される。
【００３５】
上記の様に最も下に設置する凝縮器近傍の液体酸素の蒸発温度が最も高いので、該最下部に設置した凝縮器の高さが１２００ｍｍ以下となる様にすることが好ましい。凝縮器の高さが１２００ｍｍを超えると、液体酸素の沸点上昇が大きくなることがある。尚、上側に設置した凝縮器容器程、酸素濃度が低いことから、凝縮器の底部から液表面までの高さが１２００ｍｍ超となってもよい。好ましくは最も下に設置する凝縮器の高さを１２００ｍｍ以下とすることが望ましく、特にガス窒素を液体窒素に凝縮する凝縮器の中で最も下に設置する凝縮器の高さを１２００ｍｍ以下とすることが望ましい。
【００３６】
この凝縮器高さを１２００ｍｍ以下、好ましくは１０００ｍｍ以下にする理由は、凝縮器の高さが１２００ｍｍを超えると液体酸素の沸点が上昇し、凝縮器上側（０ｍｍ）と凝縮器底部とで液体酸素の沸点差が１℃以上となり（表４参照）、高圧蒸留塔頂部のガス窒素の圧力に影響を及ぼすからである。
【００３７】
本発明は従来の凝縮器を設置していた凝縮器容器設置箇所を上下に複数区切る様に複数の縮器容器を設けているが、各凝縮器容器のサイズや数は特に限定されず、滞留する液体酸素の沸点上昇が大きく生じない様にする（好ましくは１℃未満）という観点から、凝縮器容器数、及び各サイズ等を適宜選定すればよい。
【００３８】
尚、この図２中、ＬＯ2は低圧蒸留塔で分離された液体酸素の流れであり、ＧＯ2は凝縮器８ｂ等において気化した低濃度ガス酸素の流れを示す。
【００３９】
最下部の凝縮器容器に溜まった液体酸素は最も酸素濃度が高いため、該最下部の凝縮器容器に設置した凝縮器８ａの凝縮液化用ガスとして図３に示す様に高圧蒸留塔塔底に導入する圧縮空気を利用すれば、該最下部の凝縮器容器内の液体酸素の沸点が上昇しても、該液体酸素を蒸発させることができる。即ち、ガス窒素よりも温度の高い圧縮空気を最下部の凝縮器に空気を導入することで、液体酸素をガス窒素の場合よりも効率的に気化できるので、該圧縮空気が導入される最下部の凝縮器８ａは１２００ｍｍ以上の高さとしてもよい。またこの構成では、図１の場合と比べてガス窒素を凝縮する凝縮器の中で、最も下に設置した凝縮器容器１２ｂ内の液体酸素濃度は低いが、該ガス窒素を凝縮する凝縮器の中で最も下に設置された凝縮器８ｂの高さを１２００ｍｍ以下とすることで、該凝縮器容器内における液体酸素の沸点上昇を抑制できるので好ましい。
また図３の構成の別形態として、図４に示す様に、最下部の凝縮器容器に溜まった液体酸素を塔外に抜出し、塔外に設置した凝縮器容器１２ａ内に凝縮器８ａを設置し、該凝縮器容器１２ａには最も下の凝縮器容器内の液体酸素を導入する導管１５ａと、該凝縮器容器１２ａ内で蒸発したガス酸素を抜出す導管１５を接続し、また該凝縮器８ａには圧縮された原料空気を導入する導管３１と、該凝縮器で得られる液体空気を高圧蒸留塔低部に導入する導管３２とを設ける構成としてもよい。図４に示す様に独立した凝縮器容器１２ａを設けて該凝縮器容器内で濃度の最も高い液体酸素を蒸発させると、製品ガス酸素を比較的高い圧力で得ることができる。
【００４０】
尚、図４の場合、最も下の凝縮器容器を除く各凝縮器容器１２ｂ、１２ｃ内には凝縮器８ｂ、８ｃが夫々設置され、各凝縮器８ｂ、８ｃには、高圧蒸留塔６内のガス窒素を導入する導管２１と、該凝縮器で得られる液体窒素を抜き出す導管２２が夫々設けられている。但し、この場合もガス窒素を導入する導管が設けられた凝縮器の中で少なくとも最も下に設置した凝縮器８ｂの高さを１２００ｍｍ以下として液体酸素の沸点上昇を抑制することが望ましい。
【００４１】
最も下に設置する凝縮器（図４の場合は塔外に設置した凝縮器）の蒸発酸素量は、製品酸素の抜出量を下回ることがあるので、この点を考慮して最も下の凝縮器（或いは塔外に設置した凝縮器）での蒸発酸素量は製品酸素量以上とすることが望ましい。図４の様に塔外に凝縮器容器を設置する構成は蒸発酸素量の調整が容易であるので望ましい。
【００４２】
ところで、図２の例は複数の凝縮器容器で上下２分割［図２（ａ）］、３分割［図２（ｂ）］、４分割［図２（ｃ）］、５分割［図２（ｄ）］にしているが、５分割以上としてもよい。各凝縮器容器内に設置された個々の凝縮器の凝縮能力等は特に限定されず、トータルで必要な凝縮能力が得られればよい。
【００４３】
凝縮器容器の設置形態は図示例の様に片側壁面に取り付けられている必要はなく、左右交互に設置したり、或いは中央に桶状の容器を設けたり、更には気液流通路を確保した仕切板を設けて上下分離型の構造としてもよい。要するに上側に設置した凝縮器容器から流下する液体酸素の略全量を直下側に設置した凝縮器容器に流れ込む様な構成であればいずれも採用可能である。
【００４４】
図２の場合、上側に設置した凝縮器容器から流下する液体酸素の略全量を直下に設置した凝縮器容器に流れ込む様にパイプを設置している。図２（ｂ）では、低圧蒸留塔で分離された液体酸素を前記凝縮器容器の中で最も上に設置した凝縮器容器内に流入させる手段として、凝縮器容器１２ｃに液体酸素が流入する位置に開口部を設けた仕切板３０を該凝縮容器１２ｃの上側に設置し、低圧蒸留塔で分離された液体酸素略全量を該凝縮器容器１２ｃに流入させている。そして該凝縮器容器１２ｃには凝縮器８での凝縮に必要な最低限の液体酸素が残存する様にして、余剰液体酸素をパイプ１１ｃから流下させ、凝縮器容器１２ｂに流入させている。また同様に該凝縮容器１２ｂから余剰液体酸素をパイプ１１ｂから最低部の凝縮器容器に流入させている。
【００４５】
この際、上側の凝縮器容器内のパイプの長さは凝縮器の高さと同程度とすれば凝縮に必要最低限の液体酸素を確保できるので望ましい。該凝縮器容器から下側に伸びるパイプの長さは特に限定されないが、下側の凝縮器容器内に溜まっている液体酸素に浸漬する程度に伸ばせば、流下する液体酸素の飛散を防止できるので望ましい。
【００４６】
各凝縮器容器内に設置した凝縮器には夫々高圧蒸留塔上部からガス窒素が供給される様に導管２１が設置されているが、ガス窒素を導入する導管２１に流量調節弁１０を設けて各凝縮器に供給するガス窒素量を独立制御できる様にしてもよい。このように独立制御できる構成とすることによって、例えばガス窒素や液体酸素の生成量が少ない空気分離装置稼動初期において、何れかの凝縮器のみを独立稼動させれば、液体酸素量やガス窒素量が少なくても、従来よりも早く製品ガスを製造することが可能となる。
【実施例１】
【００４７】
図１に示す空気分離装置を用いて高純度酸素（純度９９％）の製造を行い、温度、所要動力等を測定した。尚、凝縮器８は図２（ａ）〜（ｄ）に示す本発明例（Ｎｏ．２ａ〜２ｄ）、及び図６（Ｎｏ．６）に示す従来例の構成を夫々採用した。
【００４８】
原料空気はエアフィルターを通して原料空気圧縮機１に導入し、０．６ＭＰａＡ程度にまで圧縮し、続く吸着器２を通過することにより水分や炭酸ガスが除去した後、主熱交換器３へ送られ、液化点温度付近まで冷した後、高圧蒸留塔６の低部へ供給した。高圧蒸留塔６の上部に滞留しているガス窒素を管路２１により低圧蒸留塔７の底部側に配置された各凝縮器へ導入し（導入ガス窒素温度＝最も下に設置した凝縮器下部の液体酸素蒸発温度＋０．３℃）、各凝縮器で液体酸素との熱交換によって液化し、得られた液体窒素を管路２２を通して一部を高圧蒸留塔６へ戻すと共に、一部は供給路２４から過冷却器（図示せず）へ導入して冷却した後、低圧蒸留塔７の上部へ導入した。一方、高圧蒸留塔６の底部に溜まった液体酸素は、液体酸素供給路２５から減圧弁１０ａで減圧されてから低圧蒸留塔７の中間部へ供給した。低圧蒸留塔７で分離した液体酸素は凝縮器を流下し、最も下に設置した凝縮器８ａで蒸発された後、酸素供給路１５を通して抜出し、主熱交換器３で圧縮空気との熱交換により昇温して製品酸素ガスを得た。他方、低圧蒸留塔７の塔頂部の気体窒素は、気体窒素供給路２７を通して主熱交換器３へ導入し、熱交換により圧縮空気を冷却・加熱して製品ガス窒素として送出した。尚、空気圧縮機と高圧蒸留塔頂部間の圧損は５０ｋＰａとなる様に制御した。また最も下に設置した凝縮器で蒸発・発生したガス酸素圧力（該凝縮器上側気相中で測定）は１４０ｋＰａであった。結果を表１に示す。またＮｏ．２ｂ（３等分割）とＮｏ．２ｄ（５等分割）を用いて製造する酸素純度を変更し、従来例との空気圧縮機の稼動動力（従来例を１００％とした場合）を比較した。結果を図７に示す。またこの実施例において、凝縮器８ａの高さを変更（１０００ｍｍ、１２００ｍｍ、１５００ｍｍ、２０００ｍｍ）して液体酸素の圧力、及び温度を測定した。結果を表４に示す。
【００４９】
【表１】
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【００５０】
【表４】
0004790979.tif 000003
【実施例２】
【００５１】
上記実施例１と同様にして低純度酸素（純度９６％）を製造した。尚、凝縮器にはＮｏ．２ｄとＮｏ．６を使用して製造中の酸素純度を測定した。結果を表２に示す。
【００５２】
【表２】
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【００５３】
表２より、最上位（１段目）の凝縮器内に存在する酸素純度よりも最底部の酸素純度が高くなっており、酸素濃度が濃縮されて高くなっていることがわかる。
【実施例３】
【００５４】
図３に示す空気分離装置を用いて高純度酸素（純度９６％）の製造を行い、温度、所要動力等を測定した。尚、従来例は実施例１と同じである。
【００５５】
原料空気はエアフィルターを通して原料空気圧縮機１に導入し、０．６ＭＰａＡ程度にまで圧縮し、続く吸着器２を通過することにより水分や炭酸ガスが除去した後、主熱交換器３へ送られ、液化点温度付近まで冷した後、高圧蒸留塔６の底部へ供給した。高圧蒸留塔６の上部に滞留しているガス窒素を管路２１により凝縮器８ｂ、８ｃへ導入し（導入ガス窒素温度＝最も下に設置した凝縮器下部の液体酸素蒸発温度＋０．３℃）、各凝縮器容器に溜まっている液体酸素との熱交換によって液化し、得られた液体窒素を管路２２を通して一部を高圧蒸留塔６の頂部２３へ戻すと共に、一部は供給路２４から過冷却器（図示せず）へ導入して冷却した後、低圧蒸留塔７の上部へ導入した。また高圧蒸留塔６の下部に導入する圧縮空気の一部を管路３１から凝縮器８ａへ導入し、該凝縮器近傍（底部）に溜まっている液体酸素との熱交換によって液化し、得られた液体空気を管路３２を通して高圧蒸留塔下部へ導入した。一方、高圧蒸留塔６の底部に溜まった液体酸素は、液体酸素供給路２５から過冷却器（図示せず）へ導入して冷却した後、減圧弁１０ａで減圧してから低圧蒸留塔７の中間部へ供給した。低圧蒸留塔７で分離された液体酸素は、最下部に設置した凝縮器８ａで蒸発され、酸素供給路１５を通して抜出し、主熱交換器３で圧縮空気との熱交換により昇温して製品酸素ガスを得た。他方、低圧蒸留塔７の塔頂部の気体窒素は、気体窒素供給路２７を通して過冷却器（図示せず）から、主熱交換器３へ導入し、熱交換により圧縮空気を冷却・加熱して製品ガス窒素として送出した。尚、空気圧縮機と高圧蒸留塔頂部間の圧損は５０ｋＰａとなる様に制御した。また最も下に設置した凝縮器で蒸発・発生したガス酸素圧力（該凝縮器上側気相中で測定）は１４０ＫＰａであった。結果を表３に示す。
【００５６】
またＮｏ．２ｂ（３等分割）とＮｏ．２ｄ（５等分割）を用いて製造する酸素純度を変更し、従来例との空気圧縮機の稼動動力（従来例を１００％とした場合）を比較した。結果を図８に示す。
【００５７】
【表３】
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【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明に係る空気分離装置を例示する概略説明図である。
【図２】本発明の凝縮器を例示する概略説明図である。
【図３】本発明に係る空気分離装置を例示する概略説明図である。
【図４】本発明に係る空気分離装置を例示する概略説明図である。
【図５】従来の空気分離装置を例示する概略説明図である。
【図６】従来の凝縮器を例示する概略説明図である。
【図７】従来例との動力を比較する比較図である。
【図８】従来例との動力を比較する比較図である。
【符号の説明】
【００５９】
１  空気圧縮機
２  吸着器
３  主熱交換器
６  高圧蒸留塔
７  低圧蒸留塔
８、８ａ〜ｄ  凝縮器
１０  流量調節弁
１０ａ  減圧弁
１１  筒状管（パイプ）
１２ｂ〜ｄ  凝縮器容器
３０  開口部を設けた仕切板
【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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