(57)【要約】【課題】  装置全体のエネルギー効率を向上する。【解決手段】  精留塔７から抜き出した液体酸素と、原料空気圧縮機３で圧縮中の原料空気とに熱交換を行わせる構成とした。これにより、圧縮によって昇温された原料空気で液体酸素を加熱して蒸発させることができる。それゆえ、例えば、液体酸素を蒸気や電熱器によって加熱して蒸発させる方法に比べ、装置全体のエネルギー効率を向上できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料空気を圧縮する原料空気圧縮機と、
前記原料空気圧縮機で圧縮した原料空気から深冷分離法によって少なくとも液体酸素を生成し、生成した液体酸素を内部に溜める精留塔と、
前記精留塔内部から液体酸素の一部を抜き出す液酸抜出部と、を備え、
前記原料空気圧縮機は、前記液酸抜出部で抜き出した液体酸素と圧縮中の原料空気とに熱交換を行わせる熱交換器である液酸熱交換器を備えたことを特徴とする深冷空気分離装置。
【請求項２】
前記原料空気圧縮機は、
原料空気を圧縮する複数段の圧縮機と、
前記圧縮機間の少なくとも１カ所に配設された冷却装置と、を備え、
前記冷却装置は、
前記圧縮機で圧縮した原料空気を冷却する水冷式の熱交換器である水冷熱交換器と、
前記水冷熱交換器の下流に配設された前記液酸熱交換器と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の深冷空気分離装置。
【請求項３】
原料空気を原料空気圧縮機で圧縮し、圧縮した原料空気から深冷分離法によって少なくとも液体酸素を精留塔内部で分離する深冷空気分離装置の制御方法であって、
前記精留塔内部から液体酸素の一部を抜き出し、抜き出した液体酸素と前記原料空気圧縮機で圧縮中の原料空気とに熱交換を行わせることを特徴とする深冷空気分離装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、深冷空気分離装置、及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、深冷空気分離装置としては、例えば、原料空気を原料空気圧縮機で圧縮し、圧縮した原料空気から深冷分離法によって少なくとも液体酸素を生成し、生成した液体酸素を精留塔内部に溜めるものがある（例えば、特許文献１参照）。このような空気分離装置では、一般に、精留塔内部の液体酸素中の炭化水素濃度が予め設定した保安管理上の設定値以下になるように、精留塔内部から深冷空気分離装置の酸素送出量の１％程度の液体酸素を抜き出している。そして、抜き出した液体酸素を蒸気や電熱器によって加熱して蒸発させ、その蒸発によって得た蒸発ガスを、精留塔から送出される製品酸素に導入している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第２７８２３５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術では、精留塔から抜き出した液体酸素を、蒸気や電熱器によって加熱して蒸発させている。それゆえ、蒸気発生用の熱源や電熱器駆動用の電力が別途必要となり、装置全体のエネルギー効率が悪化する可能性があった。
本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、装置全体のエネルギー効率を向上可能とすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の深冷空気分離装置の一態様は、
原料空気を圧縮する原料空気圧縮機と、前記原料空気圧縮機で圧縮した原料空気から深冷分離法によって少なくとも液体酸素を生成し、生成した液体酸素を内部に溜める精留塔と、前記精留塔内部から液体酸素の一部を抜き出す液酸抜出部と、を備え、前記原料空気圧縮機は、前記液酸抜出部で抜き出した液体酸素と圧縮中の原料空気とに熱交換を行わせる熱交換器である液酸熱交換器を備えたことを特徴とする。
【０００６】
また、本発明の深冷空気分離装置の制御方法の一態様は、
原料空気を原料空気圧縮機で圧縮し、圧縮した原料空気から深冷分離法によって少なくとも液体酸素を精留塔内部で分離する深冷空気分離装置の制御方法であって、前記精留塔内部から液体酸素の一部を抜き出し、抜き出した液体酸素と前記原料空気圧縮機で圧縮中の原料空気とに熱交換を行わせることを特徴とする。
このように、精留塔から抜き出した液体酸素と、原料空気圧縮機で圧縮中の原料空気とに熱交換を行わせる構成とした。これにより、圧縮によって昇温された原料空気で液体酸素を加熱して蒸発させることができる。それゆえ、例えば、液体酸素を蒸気や電熱器によって加熱して蒸発させる方法に比べ、装置全体のエネルギー効率を向上できる。
【０００７】
さらに、本発明の深冷空気分離装置の他の態様は、
前記原料空気圧縮機は、原料空気を圧縮する複数段の圧縮機と、前記圧縮機間の少なくとも１カ所に配設された冷却装置と、を備え、前記冷却装置は、前記圧縮機で圧縮した原料空気を冷却する水冷式の熱交換器である水冷熱交換器と、前記水冷熱交換器の下流に配設された前記液酸熱交換器と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
このように、圧縮機で圧縮された原料空気を水冷熱交換器で冷却し、冷却した原料空気と精留塔から抜き出した液体酸素とに液酸熱交換器で熱交換を行わせる構成とした。これにより、水冷熱交換器によって冷却された原料空気を液酸熱交換器でさらに冷却させることができる。それゆえ、例えば、工場内の気温が上昇し、水冷熱交換器の冷媒の温度が上昇した場合にも、原料空気をより適切に冷却できる。それゆえ、原料空気の体積をより適切に収縮でき、原料空気圧縮機による原料空気の圧縮効率を向上できる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、精留塔から抜き出した液体酸素と、原料空気圧縮機で圧縮中の原料空気とに熱交換を行わせる構成とした。これにより、圧縮によって昇温された原料空気で液体酸素を加熱して蒸発させることができる。また、液酸蒸発器によって原料空気の圧縮効率を向上させることができる。それゆえ、例えば、液体酸素を蒸気や電熱器によって加熱して蒸発させる方法に比べ、装置全体のエネルギー効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】深冷空気分離装置１の構成を模式的に表す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（構成）
まず、深冷空気分離装置１の構成について説明する。
図１は、深冷空気分離装置１の構成を模式的に表す構成図である。
図１に示すように、深冷空気分離装置１は、原料空気を圧縮し、圧縮した原料空気から深冷分離方式によって酸素、窒素及びアルゴンを生成する装置である。深冷分離方式とは、圧縮した原料空気を液化させ、その液化してなる液体空気を、酸素、窒素及びアルゴンの沸点差を利用して精留し、液体酸素、液体窒素及びアルゴンを生成する方法である。
【００１２】
深冷空気分離装置１は、エアフィルタ２、原料空気圧縮機３、水洗冷却塔４、ＭＳ吸着ユニット５、熱交換器６、及び精留塔７を備える。
エアフィルタ２は、原料空気圧縮機３が吸引した原料空気から異物を除去する。
原料空気圧縮機３は、複数段の圧縮機３Ａを有する多段式空気圧縮機であり、エアフィルタ２を介して原料空気を吸引し、吸引した原料空気を順次圧縮する。
隣り合う圧縮機３Ａの間、つまり、原料空気圧縮機３で圧縮中の原料空気が流れる流路上には、冷却装置９が配設されている。
冷却装置９は、インタークーラ３Ｂａと、インタークーラ３Ｂａの下流側に配設された熱交換器３Ｂｂとを有している。インタークーラ３Ｂａの下流側とは、原料空気圧縮機３で圧縮中の原料空気が流れる方向である。インタークーラ３Ｂａ及び熱交換器３Ｂｂのそれぞれは、多管式熱交換器等によって構成されている。
【００１３】
インタークーラ３Ｂａには、循環水用管８が接続されている。循環水用管８は、冷却塔９で冷却された循環水をインタークーラ３Ｂａおよび後述するアフタークーラ３Ｃに供給し、インタークーラ３Ｂａおよびアフタークーラ３Ｃから排出される循環水を冷却塔９に再度冷却させる。そして、インタークーラ３Ｂａは、循環水用管８から供給される循環水を内部に導入し、導入した循環水と圧縮機３Ａで圧縮された原料空気とに熱交換を行わせて原料空気を冷却するとともに、熱交換によって昇温した循環水を循環水用管８に排出する。すなわち、インタークーラー３Ｂａは、循環水を冷媒とする水冷式の熱交換器となっている。これにより、原料空気は、例えば、３５℃程度まで冷却される。
【００１４】
熱交換器３Ｂｂには、液酸抜出用管１０が接続されている。液酸抜出用管１０は、後述するように精留塔７から抜き出された液体酸素を熱交換器３Ｂｂに供給し、熱交換器３Ｂｂから排出される、液体酸素が蒸発（気化）してなる酸素を製品酸素の供給路１１に導入する。そして、熱交換器３Ｂｂは、液酸抜出用管１０から供給される液体酸素を内部に導入し、導入した液体酸素とインタークーラ３Ｂａで冷却された原料空気、つまり、原料空気圧縮機３が圧縮中の原料空気とに熱交換を行わせて原料空気をさらに冷却する。これにより、原料空気は、例えば、３４．５〜３４．８℃程度まで冷却される。このように、熱交換器３Ｂｂが、インタークーラ３Ｂａによって冷却された原料空気をさらに冷却させる。それゆえ、例えば、気温が上昇し、インタークーラ３Ｂａの冷媒である循環水の温度が上昇した場合にも、原料空気をより適切に冷却できる。そのため、原料空気の体積をより適切に収縮でき、圧縮機３Ａによる原料空気の圧縮効率を向上できる。
【００１５】
また、熱交換器３Ｂｂは、熱交換によって液体酸素を加熱して蒸発させ、その蒸発によって得た蒸発ガス（酸素）を常温とし、常温とした酸素を液酸抜出用管１０に排出する。このように、熱交換器３Ｂｂが、圧縮によって昇温された原料空気で液体酸素を加熱して蒸発させる。それゆえ、例えば、精留塔７から抜き出した液体酸素を蒸気や電熱器によって加熱して蒸発させる方法に比べ、深冷空気分離装置１のエネルギー効率を向上できる。
【００１６】
最終段の圧縮機３Ａの下流には、アフタークーラ３Ｃが配設されている。アフタークーラ３Ｃは、多管式熱交換器等によって構成されている。アフタークーラ３Ｃには、インタークーラ３Ｂａと同様に、循環水用管８が接続されている。そして、アフタークーラ３Ｃは、循環水用管８から供給される循環水を内部に導入し、導入した循環水と最終段の圧縮機３Ａで圧縮された原料空気とに熱交換を行わせて原料空気を冷却するとともに、熱交換によって昇温した循環水を循環水用管８に排出する。
これにより、原料空気圧縮機３は、圧縮機３Ａによる圧縮と、インタークーラ３Ｂａ及び熱交換器３Ｂｂによる冷却とを繰り返しながら、原料空気を昇圧する。
【００１７】
水洗冷却塔４は、原料空気圧縮機３が圧縮した原料空気に冷却水を塔上部から散水し、原料空気を水洗及び冷却する。これにより、原料空気は、１０℃程度まで冷却される。
ＭＳ吸着ユニット５は、水洗冷却塔４が冷却した原料空気から水分や二酸化炭素を除去する。なお、ＭＳ吸着ユニット５は、通常２筒式であって、１筒で水分・二酸化炭素を吸着しているときに、もう１筒で吸着した水分・二酸化炭素を大気に放出する。
熱交換器６及び精留塔７は、コールドボックスＣＢ内に配設されている。
熱交換器６は、ＭＳ吸着ユニット５が水分や二酸化炭素を除去した原料空気と、後述する供給路１１、１２、１３内の液体酸素、液体窒素及びアルゴンとに熱交換を行わせて原料空気を極低温に冷却する。これにより、原料空気は、−２００℃程度まで冷却される。
【００１８】
精留塔７は、熱交換器６が冷却した原料空気から液体空気を生成し、生成した液体空気から液体酸素、液体窒素及びアルゴンを分離する。精留塔７で分離された液体酸素、液体窒素及びアルゴンは、それぞれ個別の供給路１１、１２、１３によって精留塔７から取り出される。各供給路１１、１２、１３は、熱交換器６を介して、それぞれの供給先に向けて延在している。これにより、精留塔７で分離された液体酸素、液体窒素及びアルゴンは、熱交換器６によって原料空気とに熱交換が行われて蒸発し、その蒸発によって得た蒸発ガスが製品ガスである製品酸素、製品窒素、及び製品アルゴンとなる。
なお、精留塔７で分離して取り出した製品酸素は、不図示の酸素供給路を通じて酸素使用設備に供給可能となっている。酸素使用設備としては、例えば、製鉄設備で使用される高炉、転炉、連続鋳造設備等がある。また、符号１４は過冷却器、符号１５は低温吸着器、符号１６は粗アルゴン塔、符号１７は主凝縮器、符号１８は副凝縮器である。
【００１９】
また、精留塔７には、液酸抜出用管１０が接続されている。液酸抜出用管１０は、精留塔７内部の炭化水素の濃度が予め設定した保安管理上の設定閾値以下となるように、精留塔７内部から一部を液体酸素を抜き出し、抜き出した液体酸素を熱交換器３Ｂｂに供給する。これにより、熱交換器３Ｂｂは、液酸抜出用管１０から供給される液体酸素と、圧縮機３Ａで圧縮された原料空気とに熱交換を行わせる。精留塔７内部から抜き出す液体酸素の抜出量は、深冷空気分離装置１の酸素搬出量の１%程度とする。
【００２０】
（動作、その他）
次に、深冷空気分離装置１の動作について説明する。
まず、原料空気圧縮機３が、エアフィルタ２を介して原料空気を吸引し、吸引した原料空気を順次圧縮する。続いて、水洗冷却塔４が、圧縮された原料空気を水洗及び冷却する。続いて、ＭＳ吸着ユニット５が、冷却された原料空気から水分や二酸化炭素を除去する。続いて、熱交換器６が、水分や二酸化炭素が除去された原料空気と、供給路１１、１２、１３内の液体酸素、液体窒素及びアルゴンとに熱交換を行わせて原料空気を極低温に冷却する。続いて、精留塔７が、熱交換器６が冷却した原料空気から液体空気を生成し、生成した液体空気から液体酸素、液体窒素及びアルゴンを分離する。続いて、供給路１１、１２、１３が、精留塔７から液体酸素、液体窒素及びアルゴンを取り出し、取り出した液体酸素、液体窒素及びアルゴンを熱交換器６で蒸発させ、その蒸発によって得た蒸発ガスを、製品ガスである製品酸素、製品窒素、及び製品アルゴンとして供給する。
【００２１】
その際、液酸抜出用管１０が、精留塔７内部から液体酸素の一部を抜き出し、抜き出した液体酸素を熱交換器３Ｂｂに供給する。そして、熱交換器３Ｂｂが、精留塔７から抜き出した液体酸素と、原料空気圧縮機３で圧縮中の原料空気とに熱交換を行わせる。これにより、熱交換器３Ｂｂが、圧縮によって昇温された原料空気で液体酸素を加熱して蒸発させる。それゆえ、深冷空気分離装置１では、例えば、液体酸素を蒸気や電熱器によって加熱して蒸発させる方法に比べ、深冷空気分離装置１のエネルギー効率を向上できる。
ここで、例えば、圧縮機３Ａが圧縮した原料空気をインタークーラ３Ｂａのみで冷却する方法（従来技術）では、工場内の気温が上昇し、インタークーラ３Ｂａの冷媒である循環水の温度が上昇した場合、原料空気を十分に冷却できない。それゆえ、原料空気の体積を十分に収縮できず、原料空気の圧縮効率が低下する可能性があった。
【００２２】
これに対し、本実施形態の深冷空気分離装置１では、インタークーラ３Ｂａが、圧縮機３Ａで圧縮された原料空気を冷却する。そして、熱交換器３Ｂｂが、冷却した原料空気と精留塔７から抜き出した液体酸素とに熱交換を行わせる。これにより、インタークーラ３Ｂａによって冷却された原料空気を熱交換器３Ｂｂでさらに冷却させることができる。それゆえ、例えば、工場内の気温が上昇し、インタークーラ３Ｂａの冷媒である循環水の温度が上昇した場合にも、原料空気をより適切に冷却できる。そのため、原料空気の体積をより適切に収縮でき、原料空気圧縮機３による原料空気の圧縮効率を向上できる。
【００２３】
以上、本実施形態では、図１の原料空気圧縮機３が原料空気圧縮機を構成する。以下同様に、図１の精留塔７が精留塔を構成する。また、図１の液酸抜出用管１０が液酸抜出部を構成する。さらに、図１の熱交換器３Ｂｂが液酸熱交換器を構成する。また、図１の圧縮機３Ａが圧縮機を構成する。さらに、図１の冷却装置３Ｂが冷却装置を構成する。また、図１のインタークーラ３Ｂａが水冷熱交換器を構成する。
【００２４】
（実施例）
次に、本実施形態の深冷空気分離装置１の実施例を図面に基づき説明する。
本実施例では、深冷空気分離装置１が送出する酸素の送出量を３００００Nm3/hとし、精留塔７から抜き出す液体酸素の抜出量を酸素排出量の０．５〜１．５%である１５０〜４５０Nm3/hとした。また、原料空気圧縮機３として４段の遠心圧縮機を用いた。さらに、原料空気圧縮機３が吸入する原料空気の吸入量を１５００００Nm3/hとし、原料空気圧縮機３が圧縮した原料空気の吐出圧力を０．５MPaとした。また、インタークーラ３Ｂａに供給される循環水の温度を、工場内の気温が上昇した場合を想定して３２℃とした。
【００２５】
本実施例では、この条件のもと深冷空気分離装置１を動作させ、熱交換器３Ｂｂが、精留塔７から抜き出した液体酸素を加熱して蒸発可能なことを確認できた。それゆえ、液体酸素を蒸気等によって加熱する必要がなく、液体酸素の蒸発用の蒸気を４０〜１２０kg/h削減できた。また、インタークーラ３Ｂａの出口における原料空気の温度が平均３５℃となり、熱交換器３Ｂｂの出口における原料空気の温度が平均３４．５〜３４．８℃となることを確認できた。これにより、インタークーラ３Ｂａによって冷却された原料空気をさらに冷却可能なことが確認できた。それゆえ、原料空気圧縮機３による原料空気の圧縮状態が等温圧縮に近き、原料空気圧縮機３の動力を２．５〜７．４kW削減できた。
なお、本実施例は、酸素の送出量が３００００Nm3/hである深冷空気分離装置１に適用する例を示したが、他の深冷空気分離装置１にも適用できる。例えば、酸素の送出量が３００００Nm3/h以外の深冷空気分離装置１にも適用できる。
【符号の説明】
【００２６】
１      深冷空気分離装置
２      エアフィルタ
３      原料空気圧縮機（原料空気圧縮機）
３Ａ    圧縮機（圧縮機）
３Ｂ    冷却措置（冷却装置）
３Ｂａ  インタークーラ（水冷熱交換器）
３Ｂｂ  熱交換器（液酸熱交換器）
３Ｃ  アフタークーラ
４      水洗冷却塔
５      吸着ユニット
６      熱交換器
７      精留塔（精留塔）
８      循環水用管
９      冷却塔
１０    液酸抜出用管（液酸抜出部）
１１、１２、１３    供給路
１４    過冷却器
１５    低温吸着器
１６    粗アルゴン塔
１７    主凝縮器
１８    副凝縮器
【図１】
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