(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料空気を圧縮・冷却・液化・精留してその成分ガスを得る空気液化分離方法において，原料空気を圧縮する原料空気圧縮機が吸入する大気空気に、付設した低純度の酸素を発生する装置で発生した低純度の酸素を添加混合して酸素分の多い原料空気とし，これを圧縮，冷却して液化精留を行うことにより、少なくとも酸素を製品として得ることを特徴とする空気液化分離方法。
【請求項２】
前記酸素分の多い原料空気の酸素濃度を、大気の酸素濃度以上で、３０体積％以下とすることを特徴とする請求項１記載の空気液化分離方法。
【請求項３】
前記低純度の酸素が、圧力変動吸着分離式酸素発生装置により製造され、その酸素濃度が８０〜９５体積％の低純度酸素であることを特徴とする請求項１記載の空気液化分離方法。
【請求項４】
前記製品として得る酸素の需要量の変動に応じて，前記圧力変動吸着分離式酸素発生装置の運転を増量運転，減量運転又は運転停止することにより、前記大気空気に添加混合する低純度酸素の供給量を調節することを特徴とする請求項３記載の空気液化分離方法。
【請求項５】
大気空気からなる原料空気を圧縮する原料空気圧縮機と、該圧縮機で圧縮された圧縮空気を精製する吸着器と、該吸着器で精製された圧縮精製空気を冷却する熱交換器と、該熱交換器で冷却された圧縮精製冷却空気を液化・精留する精留塔を備え、前記原料空気の成分ガスを液化精留分離し、少なくとも酸素を製品として採取する空気液化精留分離装置において、低純度の酸素を発生する装置を付設するとともに、該装置で発生した低純度の酸素を導出する導出管を、前記原料空気圧縮機の大気空気吸入側に連結したことを特徴とする空気液化分離装置。
【請求項６】
前記低純度の酸素を発生する装置が，圧力変動吸着分離式酸素発生装置であることを特徴とする請求項５記載の空気液化分離装置。
【請求項７】
前記圧力変動吸着分離式酸素発生装置から導出される低純度の酸素を昇圧するための酸素ブロワーを備えていることを特徴とする請求項６記載の空気液化分離装置。
【請求項８】
前記圧力変動吸着分離式酸素発生装置から導出される低純度の酸素を昇圧する手段を介さずに、前記低純度の酸素を導出する導出管を前記原料空気圧縮機の大気空気吸入側に連結したことを特徴とする請求項６記載の空気液化分離装置。
【請求項９】
前記圧力変動吸着分離式酸素発生装置から低純度の酸素を導出する導出管を、前記原料空気圧縮機が吸入する大気空気の吸入フィルターボックス又は原料空気吸入管に連結したことを特徴とする請求項６記載の空気液化分離装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気液化分離方法及び装置に関し、詳しくは、製品酸素の需要変動に応じて酸素の生産量を増減することができる空気液化分離方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
通常の空気液化分離装置において、装置の運転時間の１／２以下、あるいは１／３以下の頻度で酸素需要量が増加する場合、装置の能力をピーク値に合わせて製作すると、平均的な製造量のときの運転状態は、装置にとっては減量運転になる。さらに、酸素需要量が平均値以下になった場合には、より大きな減量領域での運転となるため、生産効率が悪化し、結果として電力消費の点で効率の悪い運転となる。一般的に、空気液化分離装置における空気圧縮機の減量限界や精留塔の減量限界から考えると、定格生産量に対する最小減量運転の生産量は、７５％程度までとなる。
【０００３】
一方、酸素ガスを大量に使用する製鉄工業や化学工業では、大型の空気液化分離装置を設置して酸素ガスを供給しているが、酸素ガスの需要は、操業計画，操業状態，曜日，時間帯等により大きく変動する。このため、需要減少時には、製品酸素ガスの一部（余剰分）を液化窒素等と熱交換させることにより液化して貯留し、需要増大時には貯留した液化酸素を気化して供給するようにした装置を設置することがある。しかしながら、このような特殊な装置は、あらかじめこれに対応した設計しておくか、既存の設備に大掛かりな改造を施す必要があり、設備コストの点で大きな問題が発生する。
【０００４】
そこで本発明は、通常の空気液化分離装置に簡単な設備を付加するだけで酸素の生産量を増大することができる空気液化分離方法及び装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の空気液化分離方法は、原料空気を圧縮・冷却・液化・精留してその成分ガスを得る空気液化分離方法において，原料空気を圧縮する原料空気圧縮機が吸入する大気空気に、付設した低純度の酸素を発生する装置で発生した低純度の酸素を添加混合して酸素分の多い原料空気とし，これを圧縮，冷却して液化精留を行うことにより、少なくとも酸素を製品として得ることを特徴としている。
【０００６】
さらに、本発明の空気液化分離方法は、前記酸素分の多い原料空気の酸素濃度を、大気の酸素濃度以上で、３０体積％以下とすること、前記低純度の酸素が、圧力変動吸着分離式酸素発生装置により製造され、その酸素濃度が８０〜９５体積％の低純度酸素であること、前記製品として得る酸素の需要量の変動に応じて，前記圧力変動吸着分離式酸素発生装置の運転を増量運転，減量運転又は運転停止することにより、前記大気空気に添加混合する低純度酸素の供給量を調節することを特徴としている。
【０００７】
また、本発明の空気液化分離装置は、大気空気からなる原料空気を圧縮する原料空気圧縮機と、該圧縮機で圧縮された圧縮空気を精製する吸着器と、該吸着器で精製された圧縮精製空気を冷却する熱交換器と、該熱交換器で冷却された圧縮精製冷却空気を液化・精留する精留塔を備え、前記原料空気の成分ガスを液化精留分離し、少なくとも酸素を製品として採取する空気液化精留分離装置において、低純度の酸素を発生する装置を付設するとともに、該装置で発生した低純度の酸素を導出する導出管を、前記原料空気圧縮機の大気空気吸入側（吸入系統）に連結したことを特徴としている。
【０００８】
さらに、本発明の空気液化分離装置は、前記低純度の酸素を発生する装置が，圧力変動吸着分離式酸素発生装置であり、該圧力変動吸着分離式酸素発生装置から導出される低純度の酸素を昇圧するための酸素ブロワーを備えていること、あるいは、低純度の酸素を昇圧する手段を介さずに、低純度の酸素を導出する導出管を前記原料空気圧縮機の大気空気吸入側（吸入系統）に連結したこと、また、前記圧力変動吸着分離式酸素発生装置から低純度の酸素を導出する導出管を、前記原料空気圧縮機が吸入する大気空気の吸入フィルターボックス又は原料空気吸入管に連結したことを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の空気液化分離装置の一形態例を示す概略系統図である。この空気液化分離装置は、製品として酸素と窒素とを採取するものであって、通常の空気液化分離装置と同様の構成の空気液化分離部１０と、該空気液化分離部１０に低純度酸素を供給する低純度酸素発生部２０とを有している。
【００１０】
空気液化分離部１０における通常の運転では、空気フィルター１１から吸入した大気空気（原料空気）を原料空気圧縮機１２で所定圧力に圧縮し、圧縮した圧縮空気を図示しない吸着器に導入して精製した後、この圧縮精製空気をコールドボックス１３内に導入して冷却・液化・精留することにより、経路１４から製品酸素が、経路１５から製品窒素がそれぞれ採取され、製品圧縮機１４ａ，１５ａにより圧送される。
【００１１】
なお、コールドボックス１３内には、熱交換器や精留塔，凝縮器，膨張タービン等の周知の機器が設けられており、周知の深冷分離法によって大気の成分ガスである窒素や酸素が分離される。
【００１２】
前記低純度酸素発生部２０は、大気空気よりも高濃度で酸素を含有する低純度の酸素を発生させることができれば、各種のものを用いることができ、例えば、酸素ＰＳＡ装置と呼ばれる圧力変動吸着分離式酸素発生装置や膜式酸素濃縮装置のように、大気空気を原料として低純度酸素を発生させる装置を用いることができる。特に、前記酸素ＰＳＡ装置は、効率よく低純度酸素を発生させることができるので、低純度酸素発生部２０として最適である。
【００１３】
上記低純度酸素発生部２０で発生して低純度酸素導出管２１に導出した低純度酸素は、必要に応じて設けられる酸素ブロワー２２で若干昇圧された後、弁２３を経て前記原料空気圧縮機１２の大気空気吸入側に設けられる原料空気吸入管１６に導入され、原料空気に添加混合され、酸素分の多い原料空気を生成する。
【００１４】
前記低純度酸素の酸素濃度は任意であり、低純度酸素発生部２０で使用する装置によって異なるが、酸素ＰＳＡ装置の場合は、その効率等を考慮すると、酸素濃度が８０〜９５体積％の低純度酸素であることが好ましい。一方、この低純度酸素と混合した後の酸素分の多い原料空気の酸素濃度は、安全性を考慮すると、高炉吹込用の送風機の実績等から、３０体積％以下、好ましくは２５体積％以下とすべきである。したがって、原料空気への低純度酸素の添加混合量は、原料空気量、低純度酸素の酸素濃度によって最適な量が決定されるので、これに見合った能力の装置を低純度酸素発生部２０で使用すればよい。
【００１５】
このように、原料空気に低純度酸素を添加混合して酸素分の多い原料空気とし，これを圧縮，冷却して液化精留を行うことにより、通常の大気空気を使用したときに比べて空気液化分離部１０から採取する酸素量を増量することができる。また、酸素ＰＳＡ装置等は、運転・停止を容易に行うことができるので、酸素需要の変動にも短時間で対応することが可能であり、酸素ＰＳＡ装置等自体も、酸素需要の変動に応じて増量運転や減量運転を行うことにより、経済的かつ効果的に製品酸素量の増減を行うことができる。
【００１６】
また、装置構成としては、通常の空気液化分離装置に前記酸素ＰＳＡ装置等を付設するとともに、その低純度酸素導出管２１を、原料空気圧縮機の原料空気吸入管１６等に連結するだけでよいため、新設の装置だけでなく、既存の装置へも対応が可能である。さらに、低純度酸素導出管２１の連結箇所は、原料空気圧縮機１２の大気空気吸入側で任意に選定することができるので、装置の設置状況等に応じて、原料空気圧縮機の原料空気吸入管２１だけでなく、空気フィルター１１を形成する吸入フィルターボックス等にも連結することができ、既存設備の改造も簡単に行うこができる。また、低純度酸素の発生圧力が、吸入原料空気への添加混合に十分な圧力を有している場合は、酸素ブロワー２２を省略することができる。
【００１７】
なお、空気液化分離部１０の構成は、少なくとも酸素を製品として採取できれば任意であり、本形態例に示すように窒素を同時に採取してもよく、アルゴン等を同時に採取するようにしてもよい。
【００１８】
【実施例】
図１に示す装置構成において、低純度酸素発生部２０として酸素ＰＳＡ装置を使用し、通常の定格運転時（運転１）と、酸素ＰＳＡ装置から９３体積％の低純度酸素を５００Ｎｍ３／ｈ添加混合した場合（運転２）と、７５０Ｎｍ３／ｈ添加混合した場合（運転３）とにおける製品酸素の採取量及び主要部（図１にＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅで示すポイント）の流量（Ｎｍ３／ｈ）や組成（体積％）を以下に示す。なお、大気空気の酸素濃度は２０．９５体積％、製品酸素の純度は９９．６体積％、製品窒素の酸素含有量は１ｐｐｍ以下である。また、各運転における原料空気中の酸素濃度は、原料空気圧縮機の安全性を考慮して２３体積％以下とした。
【００１９】
0004150102.tif 000002
【００２０】
増量した分の酸素の電力原単位は、酸素ＰＳＡ装置の電力原単位が、０．３２ＫＷｈ／９３％Ｏ２−Ｎｍ３であるから、運転２において、５００×０．３２／３６０＝０．４４４ＫＷｈ／Ｎｍ３であった。これは、空気液化分離装置の電力原単位に遜色ないものである。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、製品酸素の需要変動に容易に対応することができ、しかも、一般的な空気液化分離装置に簡単な設備を追加するだけで実施することができるので、新設の設備だけでなく、既存の設備にも容易に対応できる。さらに、低純度の酸素を発生する装置として酸素ＰＳＡ装置を用いることにより、ＰＳＡの特徴である起動停止の容易さから、酸素需要に応じた無駄のない運転ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の空気液化分離装置の一形態例を示す概略系統図である。
【符号の説明】
１０…空気液化分離部、１１…空気フィルター、１２…原料空気圧縮機、１３…コールドボックス、１６…原料空気吸入管、２０…低純度酸素発生部、２１…低純度酸素導出管、２２…酸素ブロワー
【図１】
0004150102.tif 000003