(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料空気を低圧塔及び高圧塔を有する複式精留設備で液化精留することにより低純度酸素を製造する方法において、原料空気を前記高圧塔の運転圧力より低い圧力に圧縮する工程と、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、精製原料空気を第１原料空気と第２原料空気とに分岐し、分岐した第１原料空気を膨張させる工程と、分岐した第２原料空気を昇圧する工程と、膨張させた第１原料空気及び昇圧した第２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、冷却した第１原料空気を前記低圧塔に、冷却した第２原料空気を前記高圧塔に、それぞれ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、液化精留で得られた低圧塔下部の酸素の少なくとも一部を製品として回収する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】
前記第２原料空気の昇圧は、前記第１原料空気の膨張による仕事を利用して行う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】
前記第１原料空気は、膨張させる前に加熱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４】
前記第２原料空気は、昇圧する前に冷却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】
前記製品酸素の回収は、液化精留で得られた低圧塔下部の液化酸素を圧縮した後、前記第２原料空気の一部との熱交換によって蒸発させることにより行う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】
前記液化酸素と熱交換する第２原料空気の一部は、該熱交換によって液化した後、前記高圧塔における第２原料空気の導入位置より少なくとも１理論段上の位置で高圧塔に導入することを特徴とする請求項５記載の低純度酸素の製造方法。
【請求項７】
原料空気を低圧塔及び高圧塔を有する複式精留設備で液化精留することにより低純度酸素を製造する装置において、原料空気を前記高圧塔の運転圧力より低い圧力に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、精製原料空気の一部を膨張させる膨張タービンと、精製原料空気の残部を昇圧する昇圧機と、膨張させた第１原料空気及び昇圧した第２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、冷却した第１原料空気を前記低圧塔に導入する経路と、冷却した第２原料空気を前記高圧塔に導入する経路と、液化精留により低圧塔下部に生成した酸素の少なくとも一部を製品として回収する経路と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８】
前記膨張タービンと前記昇圧機とが、同軸上に連結されていることを特徴とする請求項７記載の低純度酸素の製造装置。
【請求項９】
前記膨張タービンで膨張させる精製原料空気を、膨張させる前に加熱する熱交換器を備えていることを特徴とする請求項７記載の低純度酸素の製造装置。
【請求項１０】
前記昇圧機は、前記主熱交換器における温端温度と冷端温度との間の温度で精製原料空気を吸入して昇圧するものであることを特徴とする請求項７記載の低純度酸素の製造装置。
【請求項１１】
前記酸素を製品として回収する経路は、液化精留によって得られた低圧塔底部の液化酸素を圧縮するポンプと、該ポンプで圧縮した液化酸素と前記第２原料空気の一部とを熱交換させて液化酸素を蒸発させるとともに第２原料空気を液化させる酸素蒸発器と、該酸素蒸発器で液化した第２原料空気を、酸素蒸発器を経由しない第２原料空気の高圧塔導入位置より少なくとも１理論段上の位置で高圧塔に導入する経路とを備えていることを特徴とする請求項７記載の低純度酸素の製造装置。
【請求項１２】
前記低圧塔及び高圧塔の少なくともいずれか一方が、充填式精留塔であることを特徴とする請求項７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】
純度９９％以下の低純度酸素を製造する方法として、原料空気を低圧塔及び高圧塔を有する複式精留設備で液化精留する方法が知られている。この液化精留法では、一般に、低圧塔の下部から酸素をガス状あるいは液状で抜出すが、低純度酸素を製造する場合は、低圧塔の回収部において酸素とアルゴンとをほとんど分離する必要がないため、この部分の下降液と上昇ガスとを、高純度酸素を製造するプロセスと比較して少なくすることができる。
【０００４】
このため、例えば、特開昭５５−３８２４３号公報に記載されている方法では、原料空気を低圧と高圧との２系統に分離し、低圧の原料空気を低圧塔に直接導入するようにしている。これにより、高圧に圧縮する原料空気の流量が減少するため、原料空気の圧縮に要する動力の削減が図れる。
【０００５】
しかし、この方法では、低圧及び高圧の２系統の原料空気を、それぞれ異なる圧縮機で圧縮し、異なる精製設備で不純物を除去するため、設備コストが増加し、さらに、低圧側の精製設備では、原料空気から高沸点の不純物を除去するために多量のエネルギーが必要となり、装置に必要な動力が増大するという欠点があった。
【０００６】
また、特開平５−２９６６５２号公報に記載された方法では、原料空気の全量を高圧塔の運転圧力に応じた圧力に圧縮して精製を行った後、原料空気の一部を分岐させて膨張タービンで膨張させることにより低圧の原料空気を得るとともに、膨張により得られた動力を原料空気の圧縮動力として利用するようにしている。
【０００７】
この方法では、膨張タービンでの膨張により得られた仕事を原料空気の圧縮動力の一部として利用し、動力を回収するようにしているが、流体の膨張により得られるエネルギーは、膨張タービンや圧縮機の効率等によって減少するため、このエネルギーの全てを圧縮のためのエネルギーとして使用することはできなかった。また、低圧塔に導入する低圧原料空気は、一旦高圧塔の圧力まで圧縮された後、膨張タービンで膨張するが、この膨張による仕事は、単に圧縮機の圧縮動力として利用されるだけであり、低圧塔に導入する低圧原料空気を高圧塔の圧力よりも低い圧力に圧縮するほうが効率的である。
【０００８】
そこで本発明は、上述の各プロセスと比較して酸素動力原単位を低減させ、製造コストの低減を図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。
【０００９】
【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、原料空気を低圧塔及び高圧塔を有する複式精留設備で液化精留することにより低純度酸素を製造する方法において、原料空気を前記高圧塔の運転圧力より低い圧力に圧縮する工程と、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、精製原料空気を第１原料空気と第２原料空気とに分岐し、分岐した第１原料空気を膨張させる工程と、分岐した第２原料空気を昇圧する工程と、膨張させた第１原料空気及び昇圧した第２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、冷却した第１原料空気を前記低圧塔に、冷却した第２原料空気を前記高圧塔に、それぞれ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、液化精留で得られた低圧塔下部の酸素の少なくとも一部を製品として回収する工程とを含むことを特徴としている。
【００１０】
さらに、本発明の低純度酸素の製造方法は、前記第２原料空気の昇圧を前記第１原料空気の膨張による仕事を利用して行うこと、前記第１原料空気を膨張させる前に加熱すること、前記第２原料空気を昇圧する前に冷却すること、前記製品酸素は、液化精留で得られた低圧塔下部の液化酸素を圧縮した後、前記第２原料空気の一部との熱交換によって蒸発させることにより回収すること、この液化酸素と熱交換する第２原料空気の一部を該熱交換によって液化した後、前記高圧塔における第２原料空気の導入位置より少なくとも１理論段上の位置で高圧塔に導入することを特徴としている。
【００１１】
また、本発明の低純度酸素の製造装置は、原料空気を低圧塔及び高圧塔を有する複式精留設備で液化精留することにより低純度酸素を製造する装置において、原料空気を前記高圧塔の運転圧力より低い圧力に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、精製原料空気の一部を膨張させる膨張タービンと、精製原料空気の残部を昇圧する昇圧機と、膨張させた第１原料空気及び昇圧した第２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、冷却した第１原料空気を前記低圧塔に導入する経路と、冷却した第２原料空気を前記高圧塔に導入する経路と、液化精留により低圧塔下部に生成した酸素の少なくとも一部を製品として回収する経路とを備えていることを特徴としている。
【００１２】
さらに、本発明の低純度酸素の製造装置は、前記膨張タービンと前記昇圧機とが同軸上に連結されていること、前記膨張タービンで膨張させる精製原料空気を膨張させる前に加熱する熱交換器を備えていること、前記昇圧機が前記主熱交換器における温端温度と冷端温度との間の温度で精製原料空気を吸入して昇圧するものであること、前記酸素を製品として回収する経路が、液化精留によって得られた低圧塔底部の液化酸素を圧縮するポンプと、該ポンプで圧縮した液化酸素と前記第２原料空気の一部とを熱交換させて液化酸素を蒸発させるとともに第２原料空気を液化させる酸素蒸発器と、該酸素蒸発器で液化した第２原料空気を、酸素蒸発器を経由しない第２原料空気の高圧塔導入位置より少なくとも１理論段上の位置で高圧塔に導入する経路とを備えていること、前記低圧塔及び高圧塔の少なくともいずれか一方が充填式精留塔であることを特徴としている。
【００１３】
【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。この低純度酸素製造装置は、原料空気を低圧塔１及び高圧塔２を有する複式精留設備で液化精留することにより低純度酸素を製造する装置であって、原料空気を圧縮する原料空気圧縮機３、圧縮原料空気を予冷する予冷設備４、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５、精製原料空気の一部を膨張させる膨張タービン６、精製原料空気の残部を昇圧する昇圧機７、膨張させた第１原料空気及び昇圧した第２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８等を有するもので、製品の低純度酸素ガスは、低圧塔１の下部から回収される。
【００１４】
以下、低圧塔１の運転圧力を１．４ｋｇ／ｃｍ２ａｂｓ、高圧塔２の運転圧力を５．６ｋｇ／ｃｍ２ａｂｓとし、製品酸素ガスを２２３５５Ｎｍ３／ｈ採取する場合を例に挙げて説明する。
【００１５】
まず、経路５０から導入される１０２１００Ｎｍ３／ｈの原料空気は、原料空気圧縮機３で高圧塔２の運転圧力より低く、低圧塔１の運転圧力よりは高い、４．９ｋｇ／ｃｍ２ａｂｓに圧縮されて経路５１に導出される。この圧縮原料空気は、経路５１から熱交換器１１を通り、さらに、経路５２から予冷設備４に導入されて予冷され、経路５３を通って精製設備５に導入される。
【００１６】
精製設備５で水分や二酸化炭素等の不純物を除去されて精製され、経路５４に導出された精製原料空気は、経路５５の第１原料空気と経路５６の第２原料空気とに分岐する。経路５５に分岐した２５０００Ｎｍ３／ｈの第１原料空気は、前記熱交換器１１で圧縮原料空気と熱交換を行って１３０℃に加熱された後、経路５７を通って膨張タービン６に流入し、低圧塔１の運転圧力に対応した１．５ｋｇ／ｃｍ２ａｂｓに膨張する。膨張して低圧となった第１原料空気は、経路５８を通って主熱交換器８に流入し、液化精留で得られた流体、即ち酸素ガス及び窒素ガスとの熱交換により冷却され、経路５９，６０を経て低圧塔１の中段に導入される。
【００１７】
経路５６に分岐した７７１００Ｎｍ３／ｈの第２原料空気は、前記膨張タービン６に同軸上に連結された昇圧機７で、前記第１原料空気の膨張で得られた仕事により、高圧塔２の運転圧力に対応した５．７ｋｇ／ｃｍ２ａｂｓに昇圧され、アフタークーラー１２で冷却されて経路６１に導出する。昇圧した第１原料空気の一部５８００Ｎｍ３／ｈは、経路６１から経路６２に分岐して第３の流れとなり、ブロワー１３で８．７ｋｇ／ｃｍ２ａｂｓに圧縮された後、アフタークーラー１４，経路６３を経て主熱交換器８に流入する。この第３原料空気は、主熱交換器８の途中の−９０℃の位置で経路６４に抜出され、寒冷発生用の膨張タービン１５で１．４ｋｇ／ｃｍ２ａｂｓに膨張し、装置の運転に必要な寒冷を発生する。膨張タービン１５で膨張して低圧となり、経路６５に導出された第３原料空気は、前記経路５９の第２原料空気と合流し、合計流量３０８００Ｎｍ３／ｈとなって前記経路６０から低圧塔１に流入する。
【００１８】
一方、経路６１から経路６６に進んだ第２原料空気７１３００Ｎｍ３／ｈは、主熱交換器８で露点温度付近まで冷却された後、経路６７を通って高圧塔２の下部に導入される。この第２原料空気は、主凝縮蒸発器１６で凝縮して高圧塔２内を流下する還流液と気液接触することにより液化精留され、塔上部の窒素ガスと塔底部の酸素分が富化した液化空気とに分離する。窒素ガスは、塔上部から主凝縮蒸発器１６に導入されて凝縮し、凝縮した液化窒素の一部が、経路６８，過冷器１７を経て弁１８で低圧塔１の圧力に減圧された後、低圧塔１の上部に導入される。また、塔底部から経路６９に抜出された液化空気は、過冷器１９を経て弁２０で低圧塔１の圧力に減圧された後、低圧塔１の中段に導入される。
【００１９】
低圧塔１では、低圧塔１内を上昇する前記第１原料空気，第３原料空気及び主凝縮蒸発器１６で蒸発したガスと、塔内を流下する前記液化窒素及び液化空気との気液接触により精留が行われ、塔頂部の窒素ガスと塔底部の液化酸素とに分離し、塔頂部の経路７０からは窒素ガス７９４４５Ｎｍ３／ｈが抜出され、塔下部の経路７１からは、主凝縮蒸発器１６で蒸発した酸素ガスの一部２２３５５Ｎｍ３／ｈが抜出される。塔頂部から経路７０に抜出された窒素ガスは、前記過冷器１７，１９及び経路７２を通って主熱交換器８に流入し、原料空気と熱交換して経路７３に導出され、その一部が経路７４に分岐し、再生用加熱器２１を通って精製設備５の再生に用いられた後、経路７５から放出される。また、残部の窒素ガスは、必要に応じて製品として採取することができる。そして、経路７１に抜出された酸素ガスは、主熱交換器８で原料空気と熱交換して１２℃に昇温し、経路７６から製品酸素として回収される。
【００２０】
上述のように、低純度酸素を製造するにあたり、原料空気を高圧塔２の圧力よりも低い圧力に圧縮して精製することにより、原料空気圧縮機３から精製設備５に至る系統を一本化できるので、原料空気を高圧及び低圧の２系統で圧縮精製する従来法に比べて初期コストを低減できるとともに、低圧の原料空気から不純物を除去する必要がなくなるため、これに必要な動力が削減できる。
【００２１】
さらに、原料空気の全部を高圧塔２の圧力まで圧縮しないので、低圧塔１に供給する低圧側の原料空気を圧縮及び膨張させる際の圧縮比や膨張比が小さくなり、機械的ロスを低減することができる。特に、低圧側の原料空気を膨張させる膨張タービン６と、高圧側の原料空気を昇圧する昇圧機７とを同軸上に連結し、第１原料空気の膨張による仕事を利用して高圧側の原料空気を昇圧することにより、効率よく第２原料空気の昇圧を行うことができ、エネルギーの有効利用が図れる。また、第１原料空気を熱交換器１１で加熱してから膨張タービン６に導入して膨張させることにより、第１原料空気の膨張を効率よく行うことができ、昇圧機７で昇圧する第２原料空気との温度差を大きくすることにより、昇圧機７における圧縮比を高めることができる。
【００２２】
上述のようにして低純度酸素を製造した場合の酸素動力原単位は、０．３４ｋＷｈ／Ｎｍ３となり、従来のプロセスと比較して１０％程度の低減が図れる。
【００２３】
さらに、低圧塔１の下部から酸素を液で抜出すこともできる。この場合は、図１に破線で示すように、低圧塔下部から経路７６に液化酸素を抜出し、液化酸素ポンプ２２で液化酸素の沸点と、加熱源として使用する第２原料空気の沸点との差が適当な温度となる圧力に圧縮して酸素蒸発器２３に導入するとともに、前記経路６７を流れる第２原料空気の一部を経路７７に分岐して酸素蒸発器２３に加熱源として導入する。酸素蒸発器２３で第２原料空気の一部との熱交換により蒸発した酸素ガスは、経路７８を通って主熱交換器８に導入され、原料空気と熱交換して昇温し、経路７６から回収される。また、酸素蒸発器２３で液化酸素との熱交換により液化した第２原料空気は、経路７９，弁２４を通り、酸素蒸発器２３を経由しない第２原料空気の高圧塔導入位置より少なくとも１理論段上の位置で高圧塔２に導入される。
【００２４】
このように、低圧塔１から酸素を液で抜出すことにより、低圧塔１から直接酸素ガスを抜出す場合に比べて、低圧塔１の底部に貯留される液化酸素の純度を一平衡段分低くすることができ、主凝縮蒸発器１６での温度差が大きくとれるので、高圧塔２の圧力を低くすることができる。なお、液化酸素ポンプ２２を用いることなく、液化酸素を自らの位置ヘッドで加圧することもできる。
【００２５】
また、液化した第２原料空気を酸素蒸発器２３を経由しない第２原料空気の導入位置より少なくとも１理論段上に導入することにより、高圧原料空気供給段と液化空気供給段の間の還流比Ｌ／Ｖ（上昇ガスに対する下降液の比）が１に近付くため、精留による分離を促進させることができる。
【００２６】
図２は、本発明の他の形態例を示す系統図であり、第２原料空気の昇圧を低温圧縮で行う例を示している。なお、前記形態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。以下、前記同様に、低圧塔１の運転圧力を１．４ｋｇ／ｃｍ２ａｂｓ、高圧塔２の運転圧力を５．６ｋｇ／ｃｍ２ａｂｓとし、製品酸素を２２３５５Ｎｍ３／ｈ採取する場合で説明する。
【００２７】
経路５０からの１０２１００Ｎｍ３／ｈの原料空気は、原料空気圧縮機３で４．９ｋｇ／ｃｍ２ａｂｓに圧縮され、経路５１，予冷設備４，経路５３を通って精製設備５に導入され，精製されて経路５４に導出される。経路５４の精製原料空気は、経路８０の寒冷発生用の第３原料空気と、経路８１の低圧用の第１原料空気と、経路８２の高圧用の第２原料空気とに分岐する。
【００２８】
経路８１の第１原料空気２５２００Ｎｍ３／ｈは、膨張タービン６で１．４ｋｇ／ｃｍ２ａｂｓに膨張するとともに低温となり、経路８３を通って主熱交換器８の中間部に流入し、冷却されて経路８４に導出する。また、経路８２の第２原料空気７１６２０Ｎｍ３／ｈは、主熱交換器８で中間温度まで冷却された後、経路８５により昇圧機７に導入されて５．７ｋｇ／ｃｍ２ａｂｓに昇圧され、経路８６により再び主熱交換器８に導入されて冷却され、経路６７を経て高圧塔２の下部に導入される。
【００２９】
経路８０の第３原料空気５２８０Ｎｍ３／ｈは、熱交換器２５で加熱され、経路８７を通ってブロワー１３で６．９ｋｇ／ｃｍ２ａｂｓに圧縮され、アフタークーラー１４，経路８８，前記熱交換器２５を経て冷却された後、経路８９により主熱交換器８に導入される。主熱交換器８で−１００℃に冷却された第３原料空気は、前記同様に経路６４に導出されて寒冷発生用の膨張タービン１５に導入され、１．４ｋｇ／ｃｍ２ａｂｓに膨張して寒冷を発生し、経路６５を通って前記経路８４の第１原料空気と合流し、経路６０を経て低圧塔１の中段に導入される。
【００３０】
そして、前記同様に低圧塔１及び高圧塔２での液化精留の結果、低圧塔１の塔頂部の経路７０から窒素ガス７９４４５Ｎｍ３／ｈが抜出され、主熱交換器８を経て経路７３に導出される。また、低圧塔１の下部の経路７１から酸素ガス２２３５５Ｎｍ３／ｈが抜出され、主熱交換器８を経て経路７６から回収される。あるいは、低圧塔１の下部の経路７６から液化酸素が抜出され、酸素蒸発器２３で蒸発した後、主熱交換器８を経て経路７６から回収される。本形態例における酸素動力原単位も、前記形態例と同じ０．３４ｋＷｈ／Ｎｍ３であった。
【００３１】
本形態例に示すように、膨張タービン６で駆動される昇圧機７を低温仕様とし、第２原料空気を低温で昇圧することにより、流体の体積流量が低下するので設備を小さくすることができる。また、第１原料空気と第２原料空気との温度差を得るため、前記形態例では、膨張タービン６に導入する第１原料空気を、熱交換器１１で圧縮原料空気と熱交換させて昇温していたため、比較的大容量の熱交換器を設置していたが、本形態例では、主熱交換器８で第２原料空気を冷却することによって温度差を得ているため、前記熱交換器１１を省略することができる。なお、第３原料空気の経路に、同様の目的の熱交換器２５が設置されているが、第３原料空気の流量が少ないので、前記熱交換器１１に比べてはるかに小型のものですむ。
【００３２】
さらに、各形態例おける酸素動力原単位は、各精留塔を多孔板トレイを使用した棚段式で形成した場合の数値であり、両精留塔を、あるいは低圧塔及び高圧塔のいずれか一方を充填式の精留塔とした場合は、棚段式に比べて圧力損失が少ないので、更に大きな動力削減効果が得られる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の低純度酸素の製造方法及び装置は、精製設備では原料空気を１系統とし、この後、高圧及び低圧の原料空気に分岐するので、精製設備及び原料空気圧縮機の初期コストを低減できる。また、低圧の空気から不純物を除去する必要がなくなるため、これに必要な動力が低減できる。さらに、原料空気の全部を高圧塔の圧力まで圧縮しないので、低圧塔に供給する空気の圧縮及び膨張による機械的ロスを低減することができる。したがって、従来より低コストで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。
【符号の説明】
１…低圧塔、２…高圧塔、３…原料空気圧縮機、４…予冷設備、５…精製設備、６…膨張タービン、７…昇圧機、８…主熱交換器、１１…熱交換器、１３…ブロワー、１５…寒冷発生用の膨張タービン、１６…主凝縮蒸発器、１７，１９…過冷器、２１…再生用加熱器、２２…液化酸素ポンプ、２３…酸素蒸発器、２５…熱交換器
【図１】
0003737611.tif 000002
【図２】
0003737611.tif 000003