(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気の低温蒸留により酸素と窒素とを分離する空気分離方法において、
空気凝縮通路と、窒素蒸留通路と、これら通路と熱交換可能とされた酸素蒸留通路とを備えた熱交換型蒸留装置と、蒸留塔とを用い、
（１）原料空気を圧縮した後、この原料空気を、空気凝縮通路において、酸素蒸留通路との熱交換により冷却して部分液化させ、気相の窒素富化空気と液相の酸素富化空気とを分離し、
（２）窒素富化空気を、窒素蒸留通路において、酸素蒸留通路との熱交換により冷却しつつ蒸留して、窒素が濃縮された窒素濃縮物と、これより窒素濃度が低い窒素含有物とを分離し、窒素濃縮物を製品中圧窒素として回収し、
（３）窒素含有物と前記酸素富化空気を、蒸留塔において蒸留し、窒素が濃縮された製品低圧窒素と、酸素が濃縮された粗酸素とを分離し、製品低圧窒素を回収し、
（４）粗酸素を、酸素蒸留通路において、空気凝縮通路および窒素蒸留通路との熱交換により加熱しつつ蒸留し、酸素が濃縮された製品液化酸素を分離し、この製品液化酸素を回収することを特徴とする空気分離方法。
【請求項２】
窒素蒸留通路によって分離された気液混和状態の窒素濃縮物を気液分離し、液相部を蒸留塔に導入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】
窒素蒸留通路によって分離された窒素濃縮物の一部を、粗酸素との熱交換により液化させて蒸留塔に導入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４】
圧縮された原料空気の一部をさらに圧縮し、得られた二次圧縮原料空気との熱交換により、製品液化酸素を気化させ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５】
窒素蒸留通路によって分離された窒素濃縮物の一部を圧縮した後、断熱膨張させ、この断熱膨張時に得られる動力を利用して前記窒素濃縮物の圧縮を行うことを特徴とする請求項１記載の空気分離方法。
【請求項６】
空気の低温蒸留により酸素と窒素とを分離する空気分離装置において、
原料空気を圧縮する空気圧縮機と、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蒸留する熱交換型蒸留装置と、熱交換型蒸留装置を経た蒸留物をさらに蒸留する蒸留塔とを備え、
熱交換型蒸留装置が、空気凝縮通路と、窒素蒸留通路と、これら通路と熱交換可能とされた酸素蒸留通路とを備え、
空気凝縮通路が、原料空気を、酸素蒸留通路との熱交換により冷却して部分液化させ、気相の窒素富化空気と液相の酸素富化空気とを得ることができるようにされ、
窒素蒸留通路が、この窒素富化空気を、酸素蒸留通路との熱交換により冷却しつつ蒸留して、窒素が濃縮された窒素濃縮物である製品中圧窒素と、これより窒素濃度が低い窒素含有物とを得ることができるようにされ、
蒸留塔が、この窒素含有物と前記酸素富化空気を蒸留し、窒素が濃縮された製品低圧窒素と、酸素が濃縮された粗酸素とを得ることができるようにされ、
酸素蒸留通路が、粗酸素を、空気凝縮通路および窒素蒸留通路との熱交換により加熱しつつ蒸留し、酸素が濃縮された製品液化酸素を得ることができるようにされていることを特徴とする空気分離装置。
【請求項７】
窒素蒸留通路によって分離された気液混和状態の窒素濃縮物を気液分離する気液分離器を備え、この気液分離器で分離された液相部を蒸留塔に導入できるようになっていることを特徴とする請求項６記載の空気分離装置。
【請求項８】
窒素蒸留通路によって分離された窒素濃縮物の一部を、粗酸素との熱交換により液化させる凝縮器を備え、
この凝縮器で得られた液相部を蒸留塔に導入することができるようになっていることを特徴とする請求項６記載の空気分離装置。
【請求項９】
空気圧縮機で圧縮された原料空気の一部をさらに圧縮する二次圧縮機と、この圧縮機によって圧縮された二次圧縮原料空気を用いて製品液化酸素を気化させる酸素蒸発器とを備えていることを特徴とする請求項６記載の空気分離装置。
【請求項１０】
製品液化酸素を昇圧する昇圧ポンプを備えていることを特徴とする請求項６記載の空気分離装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気を低温蒸留することにより、窒素および酸素を分離する空気分離方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空気を低温蒸留して、窒素、酸素等を生産するには、高圧塔と低圧塔からなる複式蒸留塔が使用されている。
近年、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、熱交換型蒸留装置を利用した空気分離方法が提案されている。
例えば、特許第２８３３５９４号には、熱交換型蒸留装置を用いて、中純度の酸素（酸素濃度８５〜９９％）を製造する方法が開示されている。
ここに開示されている方法では、熱交換型蒸留装置として、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が用いられている。
この方法では、原料空気を熱交換型蒸留装置の第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。
第２通路では、上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、通路下部から製品酸素を得ることができる。
また、特開平８−３６４９９号公報にも、熱交換型蒸留装置を用いた空気分離方法が開示されている。
この方法では、原料空気を、熱交換型蒸留装置の第１通路で蒸留して、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。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の空気分離方法において、熱交換効率を高め、十分な純度の製品を得るためには、原料空気を高圧にする必要がある。このため、消費動力が嵩む問題があった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、熱交換効率を高め、動力消費量を削減することができる空気分離方法および装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の空気分離方法は、空気凝縮通路と、窒素蒸留通路と、これら通路と熱交換可能とされた酸素蒸留通路とを備えた熱交換型蒸留装置と、蒸留塔とを用い、（１）原料空気を圧縮した後、この原料空気を、空気凝縮通路において、酸素蒸留通路との熱交換により冷却して部分液化させ、気相の窒素富化空気と液相の酸素富化空気とを分離し、（２）窒素富化空気を、窒素蒸留通路において、酸素蒸留通路との熱交換により冷却しつつ蒸留して、窒素が濃縮された窒素濃縮物と、これより窒素濃度が低い窒素含有物とを分離し、窒素濃縮物を製品中圧窒素として回収し、（３）窒素含有物と前記酸素富化空気を、蒸留塔において蒸留し、窒素が濃縮された製品低圧窒素と、酸素が濃縮された粗酸素とを分離し、製品低圧窒素を回収し、（４）粗酸素を、酸素蒸留通路において、空気凝縮通路および窒素蒸留通路との熱交換により加熱しつつ蒸留し、酸素が濃縮された製品液化酸素を分離し、この製品液化酸素を回収することを特徴とする。
本発明の空気分離方法では、窒素蒸留通路によって分離された気液混和状態の窒素濃縮物を気液分離し、液相部を蒸留塔に導入することができる。
本発明では、窒素蒸留通路によって分離された窒素濃縮物の一部を、粗酸素との熱交換により液化させて蒸留塔に導入することができる。
本発明では、圧縮された原料空気の一部をさらに圧縮し、得られた二次圧縮原料空気との熱交換により、製品液化酸素を気化させることができる。
本発明では、窒素蒸留通路によって分離された窒素濃縮物の一部を圧縮した後、断熱膨張させ、この断熱膨張時に得られる動力を利用して前記窒素濃縮物の圧縮を行うことができる。
【０００５】
本発明の空気分離装置は、原料空気を圧縮する空気圧縮機と、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蒸留する熱交換型蒸留装置と、熱交換型蒸留装置を経た蒸留物をさらに蒸留する蒸留塔とを備え、熱交換型蒸留装置が、空気凝縮通路と、窒素蒸留通路と、これら通路と熱交換可能とされた酸素蒸留通路とを備え、空気凝縮通路が、原料空気を、酸素蒸留通路との熱交換により冷却して部分液化させ、気相の窒素富化空気と液相の酸素富化空気とを得ることができるようにされ、窒素蒸留通路が、この窒素富化空気を、酸素蒸留通路との熱交換により冷却しつつ蒸留して、窒素が濃縮された窒素濃縮物である製品中圧窒素と、これより窒素濃度が低い窒素含有物とを得ることができるようにされ、蒸留塔が、この窒素含有物と前記酸素富化空気を蒸留し、窒素が濃縮された製品低圧窒素と、酸素が濃縮された粗酸素とを得ることができるようにされ、酸素蒸留通路が、粗酸素を、空気凝縮通路および窒素蒸留通路との熱交換により加熱しつつ蒸留し、酸素が濃縮された製品液化酸素を得ることができるようにされていることを特徴とする。
本発明の空気分離装置は、窒素蒸留通路によって分離された気液混和状態の窒素濃縮物を気液分離する気液分離器を備え、この気液分離器で分離された液相部を蒸留塔に導入できる構成とすることができる。
本発明の空気分離装置は、窒素蒸留通路によって分離された窒素濃縮物の一部を、粗酸素との熱交換により液化させる凝縮器を備え、この凝縮器で得られた液相部を蒸留塔に導入することができる構成とすることもできる。
本発明の空気分離装置は、空気圧縮機で圧縮された原料空気の一部をさらに圧縮する二次圧縮機と、この圧縮機によって圧縮された二次圧縮原料空気を用いて製品液化酸素を気化させる酸素蒸発器とを備えた構成とすることもできる。
本発明の空気分離装置は、製品液化酸素を昇圧する昇圧ポンプを備えた構成とすることもできる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の空気分離装置の第１の実施形態を示す系統図である。
ここに示す空気分離装置１０は、原料空気ＲAを圧縮する空気圧縮機１と、圧縮された原料空気の圧縮熱を取り除く空気予冷器２と、空気予冷器２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３と、精製器３を経た原料空気を冷却する主熱交換器４と、主熱交換器４を経た原料空気を蒸留する熱交換型蒸留装置５と、熱交換型蒸留装置５を経た蒸留物をさらに蒸留する蒸留塔６と、膨張タービン７と、気液分離器８、９と、過冷器１１と、昇圧機１３とを主要な構成機器とする。また符号１５は保冷槽を示す。
【０００７】
熱交換型蒸留装置５は、空気凝縮通路５１と、窒素蒸留通路５２と、これら通路５１、５２と熱交換可能とされた酸素蒸留通路５３とを備えている。
熱交換型蒸留装置５としては、プレートフィン式熱交換器を使用することができる。
図２は、熱交換型蒸留装置５として使用可能なプレートフィン式熱交換器の一例を示すもので、ここに示すプレートフィン式熱交換器２０は、箱状の密閉された外装体２１の内部に、流体が流通する上部流通空間２５、２５と、下部流通空間２６、２６が設けられている。
【０００８】
これら流通空間２５、２６は、複数の隔壁２２によって第１流路２３と第２流路２４とに区画されている。
これら第１流路２３と第２流路２４とは、流通空間２５、２６の一側から他側にかけて交互に設けられている。
この熱交換器２０では、下部流通空間２６の第１流路２３ａが空気凝縮通路５１となっており、上部流通空間２５の第１流路２３ｂが窒素蒸留通路５２となっている。第２流路２４は、酸素蒸留通路５３となっている。
【０００９】
なお、図示例の熱交換型蒸留装置５では、通路５１〜５３が外装体２１内に組み込まれて一体化されているが、本発明では、熱交換型蒸留装置を２つに分割してもよい。
すなわち、酸素蒸留通路を上部通路と下部通路とに分割し、この上部通路と窒素蒸留通路を有する第１熱交換型蒸留部と、下部通路と空気凝縮通路とを有する第２熱交換型蒸留部とを備えた熱交換型蒸留装置を使用することもできる。
昇圧機１３は、膨張タービン７での断熱膨張の際に得られる動力を利用して駆動することができる構成とするのが好ましい。
【００１０】
次に、この空気分離装置１０を用いた場合を例として、本発明の空気分離方法の第１の実施形態を説明する。
まず、大気などの原料空気ＲAを、空気圧縮機１で圧縮し（例えば約４００kＰaに圧縮）、空気予冷器２で常温まで冷却した後、精製器３において、原料空気中の水分および二酸化炭素等の不純物を吸着除去する。
【００１１】
次いで、精製器３を経た原料空気を、主熱交換器４において、後述する製品低圧窒素、製品液化酸素等の低温流体との熱交換により約−１７８℃に冷却し部分液化させた後、管路Ｌ1を通して、空気凝縮通路５１上部に導入する。
導入された原料空気は、酸素蒸留通路５３内の流体（後述する粗酸素）と熱交換して冷却されつつ空気凝縮通路５１内を下降する。
原料空気は、部分液化により気液混和状態となって、通路５１の下部から管路Ｌ2を通して気液分離器８に導入され、気液分離器８において気相の窒素富化空気と、液相の酸素富化空気とに分離される。
【００１２】
液相の酸素富化空気は、気液分離器８の下部から導出され、管路Ｌ3を経て過冷器１１を通過し、管路Ｌ4の減圧弁Ｖ1で減圧後、蒸留塔６の下部に導入される。
一方、気相の窒素富化空気は、気液分離器８の上部から導出され、管路Ｌ5を通って窒素蒸留通路５２の下部に導入される。
【００１３】
この窒素富化空気は、窒素蒸留通路５２内を上昇する過程で、酸素蒸留通路５３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する。
得られた窒素濃縮物（例えば窒素濃度が９８％以上、酸素含有量２％以下）は、窒素蒸留通路５２の上部から管路Ｌ6を通して導出され、気液分離器９に導入される。
窒素濃縮物が気液混和状態である場合には、この窒素濃縮物は、気液分離器９で気液分離され、分離された液相部は、気液分離器９の下部から管路Ｌ7、過冷器１１、管路Ｌ8を経て、減圧弁Ｖ2で減圧されて蒸留塔６の上部に供給される。
【００１４】
気相部の窒素濃縮物は、気液分離器９の上部から導出され、管路Ｌ9を通して主熱交換器４を経て中圧窒素ＭＧNとして回収される。
この窒素濃縮物の一部は、管路Ｌ16を通して昇圧機１３に導入されて昇圧された後、膨張タービン７で断熱膨張されて低温となって、管路Ｌ17により主熱交換器４に導入される。これによって、原料空気の冷却を効率よく行うことができる。主熱交換器４を経た窒素濃縮物は、排出ガスＷＧとして排出される。
昇圧機１３で窒素濃縮物の昇圧を行う際には、膨張タービン７で窒素濃縮物を断熱膨張させる際に得られる動力を利用して昇圧機１３を駆動するのが好ましい。これによって、動力効率を向上させることができる。
【００１５】
窒素蒸留通路５２で窒素富化空気が蒸留される過程では、液相中の窒素濃度が低くなり、低窒素濃度の液状の窒素含有物が得られる。
この窒素含有物は、窒素蒸留通路５２下部から管路Ｌ14によって導出され、管路Ｌ3を通って過冷器１１に導入され、管路Ｌ4の減圧弁Ｖ1で減圧されて、蒸留塔６の下部に供給される。
【００１６】
蒸留塔６では、上部から導入された液相生成物と、下部から導入された窒素含有物および酸素富化空気とが蒸留され、その過程で気相中に窒素が濃縮するとともに、液相中に酸素が濃縮される。
気相生成物（例えば窒素濃度９８％以上、酸素含有量２％以下）は、蒸留塔６の上部から導出され、管路Ｌ10、過冷器１１、管路Ｌ11を通して、主熱交換器４に導入され、ここで加熱された後、製品低圧窒素ＧNとして回収される。
【００１７】
一方、液相の酸素濃縮物である粗酸素は、蒸留塔６の下部から導出され、管路Ｌ12を経て酸素蒸留通路５３に導入される。
この粗酸素は、酸素蒸留通路５３を下降する過程で、空気凝縮通路５１内の原料空気、および窒素蒸留通路５２内の窒素富化空気と熱交換し加熱される。
この過程では、蒸留により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。これによって、気相の窒素含有気体と、液相の酸素濃縮物（例えば酸素濃度９５％以上）である製品液化酸素とが得られる。
窒素含有気体は、酸素蒸留通路５３の上部から、管路Ｌ15を通して蒸留塔６下部に再び導入される。
【００１８】
一方、製品液化酸素は、酸素蒸留通路５３の下部から管路Ｌ13を通して主熱交換器４に導入され、原料空気との熱交換により気化し、ガス状の製品液化酸素ＧOとして回収される。
製品液化酸素は、昇圧ポンプ１２によって昇圧し、圧力を高めて回収することもできる。
【００１９】
本実施形態の空気分離方法では、空気凝縮通路５１と窒素蒸留通路５２と酸素蒸留通路５３とを備えた熱交換型蒸留装置５と、蒸留塔６とを用いるので、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ることができる。
このため、空気圧縮機１により圧縮される原料空気の圧力を低く設定することができる。例えば、従来方法において必要な原料空気圧力約５００ｋＰａを、約４００ｋＰａとすることができる。
従って、動力消費量を大幅に削減することができる。例えば、複式蒸留塔を備えた従来の空気分離装置を用いた場合に比べ、約２０％の省エネルギー化が可能となる。
【００２０】
なお、本発明では、図１に破線で示す管路Ｌ18を用いて、精製器３からの原料空気の一部を、二次圧縮機１４を用いて二次圧縮した後（例えば約４００kＰa）、管路Ｌ3を通して蒸留塔６に導入することもできる。
この場合には、空気圧縮機１での原料空気の圧力をさらに低く（例えば約３５０kＰa）することができる。このため、動力消費量をさらに削減できる。
【００２１】
次に、本発明の空気分離装置の第２の実施形態を説明する。
図３は、本発明の空気分離装置の第２の実施形態を示す系統図である。
ここに示す空気分離装置３０は、窒素蒸留通路５２から管路Ｌ6を通して導出される窒素濃縮物の一部を冷却し液化させる凝縮器３１が設けられている点、製品液化酸素を原料空気との熱交換により気化させる酸素蒸発器３２が設けられている点、気液分離器９が設けられていない点で図１に示す空気分離装置１０と異なる。
【００２２】
凝縮器３１は、蒸留塔６から導出された粗酸素との熱交換により上記窒素濃縮物を液化させることができるようになっている。
酸素蒸発器３２は、二次圧縮機１４で圧縮され、主熱交換器４を経た二次圧縮原料空気との熱交換により、製品液化酸素を気化させることができるようになっている。
【００２３】
次に、この空気分離装置３０を用いた場合を例として、本発明の空気分離方法の第２の実施形態を説明する。
原料空気は、空気圧縮機１で圧縮され（例えば圧力約３５０kＰa）、空気予冷器２で常温まで冷却された後、精製器３で不純物を除去されて、管路Ｌ1を通して熱交換型蒸留装置５の空気凝縮通路５１に導入される。
原料空気の一部は、精製器３を経た後、二次圧縮機１４に導入されて４５０〜５００kＰaとなるように圧縮され、主熱交換器４により冷却され、管路Ｌ18aにより酸素蒸発器３２に導入される。
ここで、酸素蒸留通路５３からの製品液化酸素と熱交換することによって、上記原料空気は液化し、管路Ｌ18b、管路Ｌ3、過冷器１１、管路Ｌ4を経て蒸留塔６の下部に導入される。
【００２４】
窒素蒸留通路５２では、窒素富化空気が蒸留され、気相の窒素濃縮物が管路Ｌ6から導出され、管路Ｌ9を通して製品中圧窒素ＭＧNとして回収される。
この窒素濃縮物の一部は、管路Ｌ31を通して凝縮器３１に導入される。
凝縮器３１に導入された窒素濃縮物は、蒸留塔６からの粗酸素との熱交換により液化し、液化物は、凝縮器３１の下部から管路Ｌ32、過冷器１１、管路Ｌ8を経て蒸留塔６上部に導入される。
凝縮器３１に導入された窒素濃縮物が気液混和状態である場合には、この窒素濃縮物は凝縮器３１において気液分離され、分離された液相部が、上記液化物とともに凝縮器３１の下部から蒸留塔６上部に導入される。
このため、気液分離器９を使用することなく、気液混和状態の窒素濃縮物を気液分離することができ、気液分離器９に要する装置コストを削減できる。
【００２５】
蒸留塔６での蒸留によって得られた粗酸素は、管路Ｌ12aを通して凝縮器３１に導入され、上記窒素濃縮物と熱交換した後、管路Ｌ12bを通して酸素蒸留通路５３に導入され、蒸留により酸素が濃縮された製品液化酸素が得られる。
【００２６】
製品液化酸素は、管路Ｌ13aを通して酸素蒸発器３２に導入され、原料空気との熱交換によって気化した後、管路Ｌ13b、主熱交換器４を経て回収される。
製品液化酸素は、管路Ｌ13aに設けた昇圧ポンプ１２を用いて昇圧した後に酸素蒸発器３２で気化させて回収することもできる。この場合には、高圧の製品液化酸素を回収することができる。
【００２７】
本実施形態の空気分離方法では、第１実施形態の方法と同様に、熱交換型蒸留装置５と蒸留塔６とを用いることによって、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、原料空気の圧力を低く設定することができる。
従って、動力消費量を大幅に削減することができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の空気分離方法では、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装置と、蒸留塔とを用いるので、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ることができる。
このため、原料空気の圧力を低く設定することができる。従って、動力消費量を大幅に削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の空気分離装置の第１の実施形態を示す系統図。
【図２】  図１に示す空気分離装置に熱交換型蒸留装置として使用可能なプレートフィン式熱交換器を示す一部切開図。
【図３】  本発明の空気分離装置の第２の実施形態を示す系統図。
【符号の説明】
１・・・空気圧縮機、４・・・主熱交換器、５・・・熱交換型蒸留装置、６・・・蒸留塔、７・・・膨張タービン、８、９・・・気液分離器、１０、３０・・・空気分離装置、１３・・・昇圧機、１４・・・二次圧縮機、２０…プレートフィン式熱交換器（熱交換型蒸留装置）、３１・・・凝縮器、３２・・・酸素蒸発器、５１・・・空気凝縮通路、５２・・・窒素蒸留通路、５３・・・酸素蒸留通路、ＲA・・・原料空気、ＭＧN・・・製品中圧窒素、ＧN・・・製品低圧窒素、ＧO・・・製品液化酸素
【図１】
0004520667.tif 000002
【図２】
0004520667.tif 000003
【図３】
0004520667.tif 000004