(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧塔、低圧塔及びミキシング塔を有する三塔式蒸留設備に原料空気を導入して低温蒸留することにより、少なくとも低純度酸素を製品として分離回収する低純度酸素の製造方法において、圧縮，精製，冷却した原料空気を前記高圧塔に導入して第一窒素留分と第一酸素富化液留分とに分離する第一蒸留工程と、該第一蒸留工程で分離した第一窒素留分と第一酸素富化液留分とを前記低圧塔に導入して第二窒素留分と第二酸素富化液留分とに分離する第二蒸留工程と、前記第一酸素富化液留分をドライタイプのリボイラ／コンデンサにて前記第一窒素留分の一部と熱交換して気化させた後に前記ミキシング塔の下部に上昇ガスとして導入するとともに、前記第二酸素富化液留分を昇圧した後に前記ミキシング塔の上部に還流液として導入し、低純度酸素留分と塔底液留分とに分離する第三蒸留工程と、該第三蒸留工程で分離した低純度酸素留分を製品として回収する製品回収工程とを含むことを特徴とする低純度酸素の製造方法。
【請求項２】
前記気化されてミキシング塔に導入される第一酸素富化液留分が、前記高圧塔の塔底から少なくとも１理論段上から抜き出されることを特徴とする請求項１記載の低純度酸素の製造方法。
【請求項３】
前記ミキシング塔に導入する第二酸素富化液留分を、前記低圧塔の塔底から少なくとも１理論段上から抜き出すとともに、前記低圧塔の塔底部から高純度の酸素ガスを抜き出すことを特徴とする請求項１記載の低純度酸素の製造方法。
【請求項４】
前記ミキシング塔の塔底から抜き出した塔底液留分を、該塔底液留分の酸素濃度に対応する位置で前記低圧塔に導入することを特徴とする請求項１記載の低純度酸素の製造方法。
【請求項５】
前記ミキシング塔の中間部から液を抜き出し、該液の酸素濃度に対応する位置で前記低圧塔に導入することを特徴とする請求項１記載の低純度酸素の製造方法。
【請求項６】
圧縮，精製，冷却されて導入される原料空気を蒸留して塔上部の第一窒素留分と塔下部の第一酸素富化液留分とに分離する高圧塔と、該高圧塔で分離した第一窒素留分と第一酸素富化液留分とを導入して蒸留することにより塔上部の第二窒素留分と塔下部の第二酸素富化液留分とに分離する低圧塔と、前記高圧塔から前記第一酸素富化液留分を抜き出す第一酸素富化液留分抜出経路と、該第一酸素富化液留分抜出経路に抜き出した第一酸素富化液留分を前記第一窒素留分の一部と熱交換して気化させるドライタイプのリボイラ／コンデンサと、前記低圧塔から前記第二酸素富化液留分を抜き出す第二酸素富化液留分抜出経路と、該第二酸素富化液留分抜出経路に抜き出した第二酸素富化液留分を昇圧する液ポンプと、前記リボイラ／コンデンサで気化した第一酸素富化留分及び前記液ポンプで昇圧された第二酸素富化液留分とを導入して蒸留することにより塔上部の低純度酸素留分と塔底部の塔底液留分とに分離するミキシング塔と、該ミキシング塔で分離した前記低純度酸素留分を製品として回収する製品回収経路とを備えたことを特徴とする低純度酸素の製造装置。
【請求項７】
前記第一酸素富化液留分抜出経路が、前記高圧塔の塔底から少なくとも１理論段上に設けられていることを特徴とする請求項６記載の低純度酸素の製造装置。
【請求項８】
前記第二酸素富化液留分抜出経路が、前記低圧塔の塔底から少なくとも１理論段上に設けられているとともに、最下段精留段の下に低圧塔底部に分離した高純度の酸素ガスを抜き出す高純度酸素抜出経路が設けられていることを特徴とする請求項６記載の低純度酸素の製造装置。
【請求項９】
前記ミキシング塔の塔底部に分離した塔底液留分を抜き出し、前記低圧塔の中部に還流液として導入する第一酸素還流経路を備えたことを特徴とする請求項６記載の低純度酸素の製造装置。
【請求項１０】
前記ミキシング塔の中段から液を抜き出し、前記低圧塔の中部より下方の位置に還流液として導入する第二酸素還流経路を備えたことを特徴とする請求項６記載の低純度酸素の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低純度酸素の製造方法及び装置に関し、詳しくは、低温で空気を蒸留分離して低純度酸素を製品として回収するプロセスであって、圧縮機を使用することなく比較的高圧力の製品低純度酸素を製造するための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】
低純度酸素は、ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）や、直接・溶融還元製鋼及びガラス溶融等で使用される。これらのアプリケーションでは、大量の酸素を消費することから、特に動力原単位が低いことが要求される。
【０００３】
Ｃａｍｂｅｒｌｅｉｎらによる米国特許第５２９１７３７号明細書、Ｓｔｒａｕｂらによる米国特許第５４５４２２７号明細書には、動力原単位の低減を目的とした低純度酸素製造プロセスが記載されている。
【０００４】
米国特許第５２９１７３７号明細書記載のプロセスでは、製品酸素より酸素純度の高い液化酸素を低圧蒸留塔から抜き出し、ポンプで圧縮した後、ｍｉｘｉｎｇ  ｃｏｌｕｍｎ（ミキシング塔）で原料空気の一部と気液接触させることにより、原料空気と同程度の圧力の低純度酸素を製造するようにしている。
【０００５】
しかし、このプロセスでは、全空気量の約３０％の空気をミキシング塔に導入して液化酸素と気液接触させて液化させるため、高圧蒸留塔に供給する原料空気量が減少する。その結果、高圧塔の上昇ガスが少なくなり、主凝縮器で液化する量が減少するため、低圧蒸留塔における還流窒素量が減少してＬ／Ｖが低下し、精留効率が悪化して製品酸素の回収率が低下するとともに、得られる窒素の純度も低下してしまう。
【０００６】
すなわち、このプロセスでは、製品酸素の圧縮動力は低減できるが、原料空気圧縮機の動力が増加する。さらに、このプロセスでは、得られる窒素の純度も低いため、ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）のように、一定純度以上の窒素を製品として必要とする設備には不適当である。
【０００７】
また、米国特許第５４５４２２７号明細書記載のプロセスでは、低圧蒸留塔底部から抜き出した液化酸素をポンプで圧縮してミキシング塔に供給し、原料空気の一部と気液接触させるようにしている。この空気には、膨張タービンで膨張させた空気と膨張バルブで減圧させた空気とを使用している。
【０００８】
したがって、このプロセスにおいても、前記同様に、高圧蒸留塔に供給する原料空気が減少するため、低圧蒸留塔に供給する還流窒素が減少し、製品回収率が低下する。また、このプロセスでは、高圧に圧縮した原料空気の一部を膨張バルブで減圧してからミキシング塔に供給するようにしているため、減圧による動力のロスを生じる。
【０００９】
そこで本発明は、比較的高圧力の低純度酸素を製造するプロセスにおいて、酸素回収率の向上や圧縮機に要する動力費の削減により原単位の低減が図れ、さらに、同時に得られる窒素の純度低下も防止することができる低純度酸素の製造方法及び装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の低純度酸素の製造方法は、高圧塔、低圧塔及びミキシング塔を有する三塔式蒸留設備に原料空気を導入して低温蒸留することにより、少なくとも低純度酸素を製品として分離回収する低純度酸素の製造方法において、圧縮，精製，冷却した原料空気を前記高圧塔に導入して第一窒素留分と第一酸素富化液留分とに分離する第一蒸留工程と、該第一蒸留工程で分離した第一窒素留分と第一酸素富化液留分とを前記低圧塔に導入して第二窒素留分と第二酸素富化液留分とに分離する第二蒸留工程と、前記第一酸素富化液留分をドライタイプのリボイラ／コンデンサにて前記第一窒素留分の一部と熱交換して気化させた後に前記ミキシング塔の下部に上昇ガスとして導入するとともに、前記第二酸素富化液留分を昇圧した後に前記ミキシング塔の上部に還流液として導入し、低純度酸素留分と塔底液留分とに分離する第三蒸留工程と、該第三蒸留工程で分離した低純度酸素留分を製品として回収する製品回収工程とを含むことを特徴としている。
【００１１】
さらに、本発明の低純度酸素の製造方法は、気化されてミキシング塔に導入される前記第一酸素富化液留分を高圧塔の塔底から少なくとも１理論段上から抜き出すこと、ミキシング塔に導入する前記第二酸素富化液留分を低圧塔の塔底から少なくとも１理論段上から抜き出すとともに、低圧塔の塔底部から高純度の酸素ガスを抜き出すことを特徴としている。さらに、前記ミキシング塔の塔底から抜き出した塔底液留分を該塔底液留分の酸素濃度に対応する位置で前記低圧塔に導入すること、前記ミキシング塔の中間部から液を抜き出し、該液の酸素濃度に対応する位置で前記低圧塔に導入することを特徴としている。
【００１２】
また、本発明の低純度酸素の製造装置は、圧縮，精製，冷却されて導入される原料空気を蒸留して塔上部の第一窒素留分と塔下部の第一酸素富化液留分とに分離する高圧塔と、該高圧塔で分離した第一窒素留分と第一酸素富化液留分とを導入して蒸留することにより塔上部の第二窒素留分と塔下部の第二酸素富化液留分とに分離する低圧塔と、前記高圧塔から前記第一酸素富化液留分を抜き出す第一酸素富化液留分抜出経路と、該第一酸素富化液留分抜出経路に抜き出した第一酸素富化液留分を前記第一窒素留分の一部と熱交換して気化させるドライタイプのリボイラ／コンデンサと、前記低圧塔から前記第二酸素富化液留分を抜き出す第二酸素富化液留分抜出経路と、該第二酸素富化液留分抜出経路に抜き出した第二酸素富化液留分を昇圧する液ポンプと、前記リボイラ／コンデンサで気化した第一酸素富化留分及び前記液ポンプで昇圧された第二酸素富化液留分とを導入して蒸留することにより塔上部の低純度酸素留分と塔底部の塔底液留分とに分離するミキシング塔と、該ミキシング塔で分離した前記低純度酸素留分を製品として回収する製品回収経路とを備えたことを特徴としている。
【００１３】
さらに、本発明の低純度酸素の製造装置は、前記第一酸素富化液留分抜出経路が高圧塔の塔底から少なくとも１理論段上に設けられていること、前記第二酸素富化液留分抜出経路が低圧塔の塔底から少なくとも１理論段上に設けられるとともに、最下段精留段の下に低圧塔底部に分離した高純度の酸素ガスを抜き出す高純度酸素抜出経路が設けられていることを特徴としている。
【００１４】
また、前記ミキシング塔の塔底部に分離した塔底液留分を抜き出し、前記低圧塔の中部に還流液として導入する第一酸素還流経路を備えていること、前記ミキシング塔の中段から液を抜き出し、前記低圧塔の中部より下方の位置に還流液として導入する第二酸素還流経路を備えていることを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一形態例を示す系統図である。この系統図に示す装置は、高圧塔１、低圧塔２及びミキシング塔３を有するとともに、空気を低温蒸留するための付帯設備である原料空気圧縮機４、前処理設備５、主熱交換器６、主凝縮器７、過冷器８、リボイラ／コンデンサ９等の各種機器、各種弁及び配管を備えた三塔式蒸留設備である。
【００１６】
以下、低純度酸素を製造する手順に基づいて本形態例を説明する。まず、経路１０から吸入された１０２０００Ｎｍ３／ｈの原料空気は、原料空気圧縮４で６．０ｋｇ／ｃｍ２ abs．に圧縮され、アフタークーラー１１で４０℃に冷却された後、前処理設備５で二酸化炭素や水分等の不純物を除去されて精製される。この原料空気は、経路１２から経路１３と経路１４とに分岐し、一方の経路１３に分岐した原料空気は、空気予冷器１５を通ってからブロワー１６で更に圧縮され、アフタークーラー１７及び空気予冷器１５で冷却される。さらに、この原料空気は、経路１８から主熱交換器６を通って中間温度に冷却された後、経路１９を通って前記ブロワー１６に直結した膨張タービン２０に導入され、膨張してプラントに必要な寒冷を発生する。膨張して低圧状態となったこの原料空気は、経路２１を通って低圧塔２の所定の位置に導入される。他方の経路１４に分岐した原料空気は、主熱交換器６で露点温度付近まで冷却された後、経路２２を通って高圧塔１の下部に導入される。
【００１７】
高圧塔１では、塔内を上昇するガスと、塔頂部の主凝縮器７で凝縮して塔内を下降する液との気液接触によって第一蒸留工程が行われ、塔頂部の第一窒素留分と、塔底部の第一酸素富化液留分とに分離する。高圧塔１の頂部から経路２３に抜き出された第一窒素留分、即ち窒素ガスは、その一部が経路２４を通って主凝縮器７に導入され、後述する低圧塔底部の第二酸素富化液留分と熱交換することにより凝縮して液化窒素となり、経路２５に導出し、その一部が経路２６に分岐して高圧塔１の頂部に還流液として戻される。また、経路２３から経路２７に進んだ窒素ガスは、前記リボイラ／コンデンサ９で高圧塔底部からの第一酸素富化液留分と熱交換することにより凝縮して液化窒素となり、経路２８に導出し、その一部が前記経路２６から高圧塔１の還流液として戻される。
【００１８】
還流液となる以外の液化窒素４７０００Ｎｍ３／hは、前記経路２５，２８から経路２９に合流し、前記過冷器８で冷却された後、経路３０を通り、膨張弁３１で低圧塔２の圧力１．３ｋｇ／ｃｍ２ abs．に減圧された後、経路３２を通って低圧塔２の頂部に還流液として導入される。
【００１９】
一方、前記高圧塔１の底部に分離した酸素分約４０％の第一酸素富化液留分は、経路３３に抜き出されて経路３４と経路３５とに分岐する。経路３４に分岐した２３０００Ｎｍ３／ｈの第一酸素富化液留分は、過冷器８で冷却された後、経路３６を通り、膨張弁３７で低圧塔２の圧力１．３ｋｇ／ｃｍ２ abs．に減圧され、経路３８を通って低圧塔２の中上部に還流液として導入される。また、経路３３から経路３５に続く第一酸素富化液留分抜出経路に分岐した２７４００Ｎｍ３／ｈの第一酸素富化液留分は、膨張弁３９で２．６ｋｇ／ｃｍ２ abs．に減圧された後、経路４０を経て前記リボイラ／コンデンサ９に導入され、高圧塔頂部からの前記窒素ガスと熱交換することによりガス化し、経路４１を通って前記ミキシング塔３の底部に上昇ガスとして導入される。
【００２０】
なお、本形態例では、リボイラ／コンデンサ９として、液浸漬型ではなく、ドライ型のリボイラ／コンデンサを使用している。すなわち、液浸漬型の場合は、気化側の液体が液ヘッドによって過冷却状態となるため、この分、気化圧力を低くしなければならないが、ドライタイプの場合には、このようなことがないので、気化圧力を高めることができる。したがって、ミキシング塔３に導入する第一酸素富化液留分の気化圧力を高くすることができるので、ミキシング塔３の運転圧力を高めることができ、最終的にミキシング塔３から回収する製品低純度酸素ガスの圧力を高くすることができる。しかも、ドライタイプは、液浸漬型に比べて保有液量が少ないので、装置の起動時間を短縮できる効果もある。
【００２１】
前記低圧塔２では、前記経路３２，３８からそれぞれ導入される還流液と、塔底部の主凝縮器７で気化した上昇ガスとの気液接触によって第二蒸留工程が行われ、塔頂部の第二窒素留分と、塔底部の第二酸素富化液留分とに分離する。
【００２２】
塔頂部からは、第二窒素留分である窒素ガス７９６５０Ｎｍ３／ｈが経路４２に抜き出され、過冷器８での熱交換により昇温した後、経路４３を通って主熱交換器６で原料空気と熱交換することにより常温まで昇温し、経路４４から製品窒素として抜き出される。本形態例のプロセスでは、原料空気の全量を高圧塔１に導入していることから、低圧塔２の頂部還流液化窒素量を多くすることができるため、低圧塔頂部の窒素濃度は９９．３％であり、製品窒素ガスとして十分に使用可能である。
【００２３】
低圧塔２の底部の第二酸素富化液留分は、酸素濃度９８％の液化酸素であり、６６０００Ｎｍ３／ｈが第二酸素富化液留分抜出経路である経路４５に抜き出され、液ポンプ４６で２．６ｋｇ／ｃｍ２ abs．に圧縮された後、経路４７を通ってミキシング塔３の頂部に還流液として供給される。
【００２４】
ミキシング塔３では、前記経路４１から導入された上昇ガスと、上記経路４７から導入された還流液とが気液接触することにより第三蒸留工程が行われ、塔頂部の低純度酸素留分と、塔底部の塔底液留分とに分離する。塔頂部の低純度酸素留分は、酸素濃度９５％の低純度酸素であり、製品回収経路となる頂部の経路４８から２２３５０Ｎｍ３／ｈが抜き出され、主熱交換器６で常温まで昇温した後、経路４９を通ってブロワー５０で所定圧力に圧縮されて経路５１から取り出される。
【００２５】
ミキシング塔３の底部から第一酸素還流経路である経路５２に抜き出された塔底液留分は、膨張弁５３で低圧塔２の圧力に減圧された後、経路５４を通り、塔底液留分の酸素濃度に対応した位置の低圧塔中部に導入される。また、ミキシング塔３の中間部からは、塔内を下降する液の一部が第二酸素還流経路である経路５５に抜き出され、膨張弁５６で低圧塔２の圧力に減圧された後、経路５７を通り、該液の酸素濃度に対応した位置の低圧塔中部より下方に導入される。
【００２６】
上述のように、高圧塔１から抜き出した第一酸素富化液留分を気化してミキシング塔３の上昇ガスとして用いることにより、原料空気のほとんどを高圧塔１に供給することができるので、低圧塔２の頂部還流液化窒素量を多くすることができる。これにより、低圧塔２のＬ／Ｖが改善されて精留効率が向上し、製品低純度酸素の回収率が増加するとともに、低圧塔２から抜き出す窒素の純度も向上させることができる。したがって、本形態例プロセスは、大量の低純度酸素と共に、一定純度以上の窒素ガスを大量に必要とするガス化複合発電にも好適に用いることができる。
【００２７】
また、高圧塔１からミキシング塔３に供給する第一酸素富化液留分の気化を、高圧塔１から抜き出した第一窒素留分との熱交換で行うことにより、第一酸素富化液留分の気化を、他の加熱源を用意することなく効率よく行えるとともに、第一窒素留分を液化させて高圧塔１や低圧塔２の還流液として使用することができる。さらに、ミキシング塔３から抜き出した液を、低圧塔２の酸素濃度に対応した位置に供給することにより、低圧塔２の運転を乱すことなく安定した効率のよい蒸留操作を行うことができる。
【００２８】
ここで、本形態例に示すプロセスと、従来例として前記米国特許第５２９１７３７号明細書記載のプロセスとにおいて、同条件の低純度酸素を製造する場合のシミュレーションを行った結果を表１に示す。なお、酸素製造原単位には、従来例と条件を合わせるため、酸素を６８ｋｇ／ｃｍ２ abs．まで昇圧するためのブロワー５０の動力も含めている。
【００２９】
【表１】
0004177507.tif 000002
【００３０】
上記シミュレーションでは、全ての蒸留塔に棚段を使用した場合で計算を行ったが、高圧塔１，低圧塔２，ミキシング塔３の少なくとも１つに充填物を使用することにより、蒸留塔の圧力損失を少なくすることができるので、さらに酸素製造原単位を低減させることができる。
【００３１】
また、本形態例では、高圧塔１の第一酸素富化液留分の一部をミキシング塔３に供給するようにしているが、リボイラ／コンデンサ９における炭化水素の濃縮を防止するため、図１に破線で示すように、高圧塔１の塔底から少なくとも１理論段上の精留段１ａから経路３５ａを通して液を抜き出すようにしてもよい。
【００３２】
また、図２に示すように、ミキシング塔３に還流液として導入する液も、低圧塔２の塔底から数段上の精留段２ａに設けた経路４５ａで抜き出すとともに、最下段の精留段２ｂより下に設けた経路（高純度酸素抜出経路）５８から主熱交換器６，経路５９を通して、純度の高い酸素ガスを抜き出すこともできる。
【００３３】
これにより、ミキシング塔３から抜き出す低純度の酸素と、低圧塔２から抜き出す高純度の酸素との純度の異なる２種類の製品酸素を得ることができるので、大量の低純度酸素と少量の高純度酸素とを必要とする設備、例えば、コレックス（ＣＯＲＥＸ）製鋼法を基にした新しいグラスルーツ製鋼所等の用途に好適である。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、比較的圧力が高い低純度酸素を効率よく製造でき、回収率の向上や圧縮機に要する動力費の削減により原単位の低減が図れる。さらに、比較的高純度の窒素も同時に製造することが可能であり、低純度の酸素と高純度の酸素とを同時に製造することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一形態例を示す系統図である。
【図２】  変形例を示す要部の系統図である。
【符号の説明】
１…高圧塔、２…低圧塔、３…ミキシング塔、４…原料空気圧縮機、５…前処理設備、６…主熱交換器、７…主凝縮器、８…過冷器、９…リボイラ／コンデンサ、１５…空気予冷器、１６…ブロワー、２０…膨張タービン、３１，３７，３９…膨張弁、５０…ブロワー、５３，５６…膨張弁
【図１】
0004177507.tif 000003
【図２】
0004177507.tif 000004