(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料空気を液化精留して低純度酸素を製造する方法において、原料空気を圧縮する工程と、圧縮原料空気を予冷する工程と、予冷した原料空気から水分や二酸化炭素等の不純物を除去して精製する工程と、精製原料空気を液化精留で得られた流体との熱交換により冷却する工程と、冷却した原料空気を高圧塔，主凝縮器及び低圧塔を有する複精留塔に導入して液化精留することにより酸素と窒素とに分離する工程と、前記高圧塔上部に分離した窒素を抜出して前記精製原料空気との熱交換により昇温する工程と、昇温した窒素を膨張させて寒冷を発生させる工程と、前記低圧塔底部に分離した酸素を製品として回収する工程とを含み、前記高圧塔から導出した昇温工程後の窒素の一部又は昇温工程後の窒素を昇圧した昇圧窒素の一部を分岐し、前記圧縮工程後の圧縮原料空気と熱交換させて昇温し、該昇温した窒素を膨張させて低温化した後、前記精製工程前の圧縮原料空気と再び熱交換させて圧縮原料空気を冷却するとともに、前記窒素の膨張による仕事を利用して前記圧縮工程における原料空気の圧縮を行うことを特徴とする低純度酸素の製造方法。
【請求項２】
原料空気を液化精留して低純度酸素を製造する装置において、原料空気を圧縮する原料空気圧縮機と、圧縮原料空気を予冷する予冷設備と、予冷した原料空気から水分や二酸化炭素等の不純物を除去して精製する精製設備と、精製原料空気を液化精留で得られた流体との熱交換により冷却する主熱交換器と、冷却した原料空気を導入して液化精留により酸素と窒素とを分離する高圧塔，主凝縮器及び低圧塔を有する複精留塔と、前記高圧塔上部に分離した窒素を抜出して主熱交換器で昇温した後に昇圧する昇圧機と、昇圧された窒素を膨張させて寒冷を発生する寒冷発生用膨張タービンと、低圧塔底部に分離した酸素を製品として回収する酸素回収経路と、前記高圧塔から導出されて主熱交換器で昇温した後の窒素の一部又は前記昇圧機で昇圧した後の窒素の一部を前記原料空気圧縮機を導出した圧縮原料空気と熱交換させる熱交換器と、該熱交換器を導出した窒素を膨張させる動力回収用膨張タービンとを備えるとともに、前記予冷設備は、前記動力回収用膨張タービンを導出した窒素を冷却源として前記圧縮原料空気を予冷する予冷手段を備えていることを特徴とする低純度酸素の製造装置。
【請求項３】
前記原料空気圧縮機と前記動力回収用膨張タービンとが、同軸上に連結されていることを特徴とする請求項２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することにより、主として低純度酸素（９９％Ｏ２以下）を製品として回収する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、従来から鉄鋼、ガラス溶融等の分野において使用されてきたが、原油資源の枯渇やエネルギーの有効利用を考慮した石炭ガス化複合発電や、重質残渣ガス化発電及び直接溶融還元製鋼等においても今後さらに需要が見込まれている。これらの分野においては、大量の酸素を消費することから、特に酸素の製造コストを低くすることが追及されている。
【０００３】
図３は、低純度酸素を製造するための従来の空気液化分離装置（低純度酸素製造装置）の一例を示す系統図である。原料空気は、原料空気圧縮機１で約５．５ｋｇｆ／ｃｍ２ａｂｓに圧縮され、アフタークーラー２で圧縮熱が除去され，予冷設備３で更に必要な温度に冷却されて精製設備４に導入され、原料空気中の水分や二酸化炭素等の不純物が吸着除去されて精製される。不純物が除去された精製原料空気は、主熱交換器５で液化精留により得られた低温流体と熱交換を行って略沸点温度まで冷却された後、経路５１から複精留塔６の高圧塔７の下部に導入される。
【０００４】
高圧塔７に導入された原料空気は、約５．５〜５．４ｋｇｆ／ｃｍ２ａｂｓの圧力下で行われる液化精留によって塔底部の酸素富化液化空気と塔上部の窒素ガスとに分離される。高圧塔７の塔底部から経路５２に導出された酸素富化液化空気は、過冷器９で冷却され、経路５３を通り、弁１０で約１．４ｋｇｆ／ｃｍ２ａｂｓに減圧されて低圧塔８の中段に還流液として導入される。この酸素富化液化空気の量は、高圧塔７に導入される原料空気量に対して５８％程度である。
【０００５】
高圧塔７の塔上部から経路５４に導出された窒素ガスは、一部が経路５５に分岐し、残部の窒素ガスは、経路５６から低圧塔８の底部に設けられた主凝縮器１１に導入され、低圧塔８の底部の液化酸素と熱交換し、該液化酸素を気化するとともに自身は液化する。液化された窒素の一部は、経路５７により高圧塔７の頂部に還流液として戻され、残部の液化窒素は、経路５８を経て過冷器９で冷却され、経路５９を通り、弁１２で約１．３ｋｇｆ／ｃｍ２ａｂｓに減圧された後、低圧塔８の頂部に還流液として導入される。この還流液となる液化窒素の量は、原料空気量に対して３３％程度である。
【０００６】
低圧塔８では、約１．４〜１．３ｋｇｆ／ｃｍ２ａｂｓの低圧下で液化精留が行われ、塔底部に酸素、塔頂部に窒素リッチの排ガスがそれぞれ分離する。低圧塔８の底部に分離した酸素は、不純物として略等量の窒素とアルゴンとを含んだ酸素純度９３％程度の低純度酸素である。この低純度酸素は、経路６０に抜出されて主熱交換器５に導かれ、高圧塔７に導入される原料空気を冷却することによって昇温し、経路６１を通って製品低純度酸素ガスＧＯ２として導出される。この製品酸素量は、原料空気量に対して２２．３％程度である。また、製品低純度酸素ガス量の０．５％程度の量の液化酸素が低圧塔８の塔底から経路６２を通って系外に取出される。
【０００７】
低圧塔８の頂部から経路６３に導出された排ガスは、過冷器９、経路６４を通って主熱交換器５に導かれ、高圧塔７に導入される原料空気と熱交換して昇温し、経路６５から排ガスＷＧとして導出される。
【０００８】
前記高圧塔７の頂部から経路５４を経て経路５５に導出した約５．４ｋｇｆ／ｃｍ２ａｂｓの中圧窒素ガスは、原料空気に対して約８．５％の量であり、主熱交換器５で昇温されて経路６６に導出され、寒冷発生用膨張タービン１３の回転力で駆動される昇圧機１４で約７．６ｋｇｆ／ｃｍ２ａｂｓに昇圧される。この昇圧窒素ガスは、冷却器１５で昇圧熱が除去され、次いで経路６７を通って再び主熱交換器５に導かれ、中間温度まで冷却されて経路６８から寒冷発生用膨張タービン１３に導入される。この膨張タービン１３に導入された昇圧窒素ガスは、約１．３ｋｇｆ／ｃｍ２ａｂｓまで断熱膨張することにより、装置に必要な寒冷を発生して経路６９に導出し、前記経路６４から主熱交換器５に導かれる低圧塔８からの排ガスと合流する。
【０００９】
このように、窒素ガスを製品として採取しない低純度酸素製造装置において、製品酸素ガスの収率は、低圧塔８における液化窒素の還流量には関係なく、酸素富化液化空気の還流量に支配されるため、高圧塔７の頂部から主凝縮器１１を介して低圧塔８の頂部に導入される還流液化窒素の量を低減することができるから、該還流液化窒素の減量分に相当する量の中圧窒素ガスを高圧塔７の頂部から増量して抜出すことができる。
【００１０】
この増量して抜出した高圧塔７からの中圧窒素ガスは、製品として液化酸素を採取する場合は、寒冷発生用膨張タービン１３に導入して寒冷量を増加させることに利用することができ、また、中圧の製品窒素ガスとしてそのまま取出すことが可能であるが、製品として液化酸素や中圧窒素ガスが不要の場合、図３における従来のプロセスでは、これを有効に利用することができなかった。
【００１１】
そこで本発明は、低純度酸素製造装置において、高圧塔上部から得られる中圧窒素ガスを有効に利用し、より経済的に低純度酸素を製造することができる方法及び装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【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、原料空気を液化精留して低純度酸素を製造する方法において、原料空気を圧縮する工程と、圧縮原料空気を予冷する工程と、予冷した原料空気から水分や二酸化炭素等の不純物を除去して精製する工程と、精製原料空気を液化精留で得られた流体との熱交換により冷却する工程と、冷却した原料空気を高圧塔，主凝縮器及び低圧塔を有する複精留塔に導入して液化精留することにより酸素と窒素とに分離する工程と、前記高圧塔上部に分離した窒素を抜出して前記精製原料空気との熱交換により昇温する工程と、昇温した窒素を膨張させて寒冷を発生させる工程と、前記低圧塔底部に分離した酸素を製品として回収する工程とを含み、前記高圧塔から導出した昇温工程後の窒素の一部又は昇温工程後の窒素を昇圧した昇圧窒素の一部を分岐し、前記圧縮工程後の圧縮原料空気と熱交換させて昇温し、該昇温した窒素を膨張させて低温化した後、前記精製工程前の圧縮原料空気と再び熱交換させて圧縮原料空気を冷却するとともに、前記窒素の膨張による仕事を利用して前記圧縮工程における原料空気の圧縮を行うことを特徴としている。
【００１３】
また、本発明の低純度酸素の製造装置は、原料空気を液化精留して低純度酸素を製造する装置において、原料空気を圧縮する原料空気圧縮機と、圧縮原料空気を予冷する予冷設備と、予冷した原料空気から水分や二酸化炭素等の不純物を除去して精製する精製設備と、精製原料空気を液化精留で得られた流体との熱交換により冷却する主熱交換器と、冷却した原料空気を導入して液化精留により酸素と窒素とを分離する高圧塔，主凝縮器及び低圧塔を有する複精留塔と、前記高圧塔上部に分離した窒素を抜出して主熱交換器で昇温した後に昇圧する昇圧機と、昇圧された窒素を膨張させて寒冷を発生する寒冷発生用膨張タービンと、低圧塔底部に分離した酸素を製品として回収する酸素回収経路と、前記高圧塔から導出されて主熱交換器で昇温した後の窒素の一部又は前記昇圧機で昇圧した後の窒素の一部を前記原料空気圧縮機を導出した圧縮原料空気と熱交換させる熱交換器と、該熱交換器を導出した窒素を膨張させる動力回収用膨張タービンとを備えるとともに、前記予冷設備は、前記動力回収用膨張タービンを導出した窒素を冷却源として前記圧縮原料空気を予冷する予冷手段を備えていることを特徴とし、さらに、前記原料空気圧縮機と前記動力回収用膨張タービンとが同軸上に連結されていることを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の低純度酸素製造装置の一形態例を示す系統図である。なお、前記図３に示した従来例における構成要素と同一の構成要素には同一符号を付して詳細な説明は省略する。この低純度酸素製造装置は、前記図３に示す構成の装置に、原料空気圧縮機１と同軸上に連結された動力回収用膨張タービン２１と、該膨張タービン２１に導入される窒素と原料空気圧縮機１を導出した圧縮原料空気とを熱交換させる第１熱交換器２２と、精製設備４に導入する圧縮原料空気を予冷するための予冷設備３に設けられた第２熱交換器２３とを設けるとともに、主熱交換器５から経路６６に導出した中圧窒素の一部を分岐させて前記第１熱交換器２２に導入する経路７１と、該第１熱交換器２２を導出した中圧窒素を前記動力回収用膨張タービン２１に導入する経路７２と、該膨張タービン２１で膨張降温した窒素を前記第２熱交換器２３に導入する経路７３と、該第２熱交換器２３から窒素を導出する経路７４とを付設したものである。なお、本形態例に示す予冷設備３は、水冷却器３ａと、冷凍機３ｂと、前記第２熱交換器２３とにより形成しているが、予冷設備３を、例えば水洗冷却塔や冷水発生設備等、他の手段で構成した場合は、水冷却器３ａ及び冷凍機３ｂは、省略することもできる。
【００１５】
本形態例により、９３％の低純度酸素を製造する方法の一例を説明する。まず、原料空気圧縮機１で５．８ｋｇｆ／ｃｍ２ａｂｓに圧縮された２７０００Ｎｍ３／ｈの原料空気は、第１熱交換器２２で後述の中圧窒素ガスと熱交換して予冷された後、予冷設備３に導入される。この予冷設備３では、水冷却器３ａで常温の冷却水により、第２熱交換器２３で低温窒素ガスにより、さらに、冷凍機３ｂで低温冷媒により、順次冷却されて精製設備４の操作温度となって精製設備４に導入される。精製設備４で二酸化炭素や水分等の不純物を除去された精製原料空気は、温度約１９℃で主熱交換器５に導入され、露点付近まで冷却されて経路５１から高圧塔７の下部に導入され、塔頂の窒素ガスと、塔底の酸素富化液化空気とに分離される。
【００１６】
高圧塔７の底部から経路５２に抜出された１５４２８Ｎｍ３／ｈの酸素富化液化空気は、過冷器９で冷却され、経路５３を通り、弁１０で１．４１ｋｇｆ／ｃｍ２ａｂｓに減圧されて低圧塔８の中段に導入される。
【００１７】
また、高圧塔７の頂部から経路５４に抜出された中圧窒素ガスは、その一部４３３４Ｎｍ３／ｈが経路５５に分岐して主熱交換器５に導入され、残部の中圧窒素ガスは、経路５６を通って主凝縮器１１に導入され、低圧塔８の底部の液化酸素と熱交換して液化される。液化した液化窒素の一部は、経路５７を通って高圧塔７に還流され、残部の６９３７Ｎｍ３／ｈの液化窒素は、経路５８を通って過冷器９で冷却され、経路５９を通り、弁１２で１．３３３ｋｇｆ／ｃｍ２ａｂｓに減圧されて低圧塔８の頂部に導入される。
【００１８】
低圧塔８では更に液化精留が行われ、塔底部に液化酸素が、塔頂部に窒素リッチの排ガスが分離される。塔底部に分離して主凝縮器１１で前記中圧窒素ガスと熱交換を行って蒸発した酸素純度９３％，５９６９Ｎｍ３／ｈの酸素ガスは、経路６０に抜出されて主熱交換器５に導入され、原料空気との熱交換により昇温した後、経路６１から製品低純度酸素ガスＧＯ２として回収される。また、低圧塔８の塔底部からは、経路６２により３２Ｎｍ３／ｈの液化酸素が取出される。
【００１９】
低圧塔８の塔頂に分離した１６３６４Ｎｍ３／ｈの排ガスは、経路６３、過冷器９を通り、経路６４で後述の寒冷用窒素と合流して主熱交換器５で昇温した後、排窒素ガスＷＧとして経路６５から導出される。
【００２０】
前記高圧塔７の上部から導出され、経路５４，５５を経て主熱交換器５に導入された５．４ｋｇｆ／ｃｍ２ａｂｓ，４３３４Ｎｍ３／ｈの中圧窒素ガスは、主熱交換器５で原料空気との熱交換によって１７℃に昇温されて導出し、その一部２３１７Ｎｍ３／ｈは、経路６６を通り、寒冷発生用膨張タービン１３と同軸上に連結された昇圧機１４で７．６２ｋｇｆ／ｃｍ２ａｂｓに昇圧される。昇圧後の窒素は、冷却器１５で１９℃に冷却されて経路６７から主熱交換器５に導入され、中間部の経路６８から−１１８．５℃で導出されて寒冷発生用タービン１３に導入される。寒冷発生用タービン１３で１．３３３ｋｇｆ／ｃｍ２ａｂｓに断熱膨張して寒冷を発生し、−１７１℃に降温した窒素は、経路６９を通り、前記経路６４を通る低圧塔８からの排ガスに合流し、主熱交換器５を経て経路６５に導出される。
【００２１】
主熱交換器５で昇温されて導出し、経路６６から経路７１に分岐した温度１７℃，圧力５．６７ｋｇｆ／ｃｍ２ａｂｓ，２０１７Ｎｍ３／ｈの中圧窒素ガスは、前記第１熱交換器２２に導かれ、圧縮原料空気との熱交換によって９０℃に昇温した後、経路７２を通って動力回収用膨張タービン２１に導入され、断熱膨張して１．２３ｋｇｆ／ｃｍ２ａｂｓ，−１６℃となって経路７３に導出される。このときの中圧窒素ガスの膨張による仕事は、原料空気を圧縮する原料空気圧縮機１の動力の一部として利用される。
【００２２】
動力回収用膨張タービン２１で膨張して低温となった窒素ガスは、経路７３から前記第２熱交換器２３に導入され、圧縮原料空気に冷熱を与えて経路７４から導出される。
【００２３】
本形態例における酸素の原単位は０．３６５ｋｗｈ／ｈであり、図３に示す従来例において同量の原料空気を用い、同量，同純度，同圧の製品低純度酸素を得る場合の原単位０．３７８ｋｗｈ／ｈに比較して、３．６％の原単位の向上が図られた。
【００２４】
このように、製品窒素を併産しない低純度酸素製造装置において、高圧塔７の上部から得られる中圧窒素ガスを増量して取出し、該増量分の中圧窒素ガスを動力回収用膨張タービン２１で断熱膨張させ、該断熱膨張による仕事を原料空気の圧縮に利用するとともに、動力回収用膨張タービン２１で膨張して低温となった低温窒素を圧縮原料空気の冷却に用いることにより、原料空気の圧縮に要するエネルギーや、圧縮原料空気の冷却に要するエネルギーを低減させることができ、製品低純度酸素ガスの原単位を低減できる。また、第１熱交換器２２で昇温させてから動力回収用膨張タービン２１に導入することにより、該タービン２１における寒冷発生効率の向上が図れる。
【００２５】
なお、原料空気圧縮機１と動力回収用膨張タービン２１とを同軸上に連結せず、中圧窒素ガスの膨張による仕事で発電を行い、原料空気圧縮機１の駆動用電力として間接的に利用することもできる。さらに、低温窒素による圧縮原料空気の予冷は、前記第２熱交換器２３による直接的な熱交換の他、低温窒素で冷却水を冷却して間接的に圧縮原料空気を予冷することもできる。また、少量の中圧窒素を製品として採取することも可能である。
【００２６】
図２は、本発明の他の形態例を示す系統図である。本形態例は、第１熱交換器２２を経て動力回収用膨張タービン２１に導入される窒素ガスを、昇圧機１４で昇圧した昇圧窒素の一部に代えたものである。すなわち、前記形態例では昇圧機１４の導入側の経路６６に分岐経路７１を設けたのに対し、本形態例では、昇圧機１４の導出側の経路７５に分岐経路７６を設け、昇圧機１４で昇圧した昇圧窒素の一部を、経路７６を通して第１熱交換器２２に導入する。なお、その他の構成は、図１の形態例と同一であるから、主要構成要素に同一符号を付し、その説明は省略する。
【００２７】
経路６６から昇圧機１４に導入され、６．４７ｋｇｆ／ｃｍ２ａｂｓに昇圧されて経路７５に導出した４０℃，４２８２Ｎｍ３／ｈの昇圧窒素ガスの一部１８７５Ｎｍ３／ｈは、経路７５から経路７６に分岐して第１熱交換器２２に導かれ、圧縮原料空気との熱交換により９０℃に昇温し、経路７２を通って動力回収用膨張タービン２１に導入される。
【００２８】
動力回収用膨張タービン２１で断熱膨張することにより１．２５ｋｇｆ／ｃｍ２ａｂｓ，−２７℃となった窒素ガスは、経路７３を通って第２熱交換器２３に導入され、ここで圧縮原料空気に冷熱を与えて経路７４から導出される。
【００２９】
このように、動力回収用膨張タービン２１に導入する中圧窒素ガスとして、より圧力の高い窒素を使用することにより、窒素ガスの量が少ない場合、例えば、高圧塔７から抜出す中圧窒素量が少ない場合や寒冷発生用タービン１３で大量の寒冷を発生させる必要がある場合でも、十分な量の動力を回収することができ、図１の形態例に比べて少ない窒素量で同等の動力節減を図ることができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高圧塔上部に分離した中圧窒素ガスが有するエネルギーを有効に利用することができ、製品低純度酸素の動力原単位を低減できる。特に、中圧窒素を製品として採取しない装置では、その分の中圧窒素をエネルギー回収用に使用することができるので、より効率よく低純度酸素を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の低純度酸素製造装置の一形態例を示す系統図である。
【図２】  低純度酸素製造装置の他の形態例を示す系統図である。
【図３】  従来の低純度酸素製造装置の一例を示す系統図である。
【符号の説明】
１…原料空気圧縮機、３…予冷設備、３ａ…水冷却器、３ｂ…冷凍機、４…精製設備、５…主熱交換器、６…複精留塔、７…高圧塔、８…低圧塔、９…過冷器、１１…主凝縮器、１３…寒冷発生用膨張タービン、１４…昇圧機、１５…冷却器、２１…動力回収用膨張タービン、２２…第１熱交換器、２３…第２熱交換器
【図１】
0003737612.tif 000002
【図２】
0003737612.tif 000003
【図３】
0003737612.tif 000004