JP4230213B2 - 空気液化分離装置及び方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気液化分離装置及び方法に関し、詳しくは、圧縮，精製，冷却した原料空気を深冷液化分離することにより、少なくとも低純度酸素ガスを製品として採取するための空気液化分離装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高炉吹込み用や酸素富化燃焼用等で使用する低純度酸素を供給するための装置として、複精留塔を用いた空気液化分離装置が広く用いられており、従来から、所要動力を削減して原単位を低減するために種々の工夫がなされてきている。
【０００３】
例えば、主凝縮蒸発器とは別に副凝縮器を設け、この副凝縮器で窒素ガスと熱交換させて液化酸素の略全量を気化させるように形成することにより、低圧精留塔下部の液化酸素濃度を低下させるとともに、高圧精留塔上部の窒素ガス圧力を低下させ、これによって原料空気圧力を低くする方法が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
また、副凝縮器で液化酸素と熱交換させるガスとして窒素よりも沸点の高い原料空気の一部を利用するとともに、高圧精留塔上部の窒素ガスを酸素濃度の低い液化酸素と熱交換させることにより、原料空気圧力を低くする方法も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
さらに、高圧精留塔上部の窒素ガスと低圧精留塔下部の液化酸素とを直接熱交換させず、高圧精留塔上部の窒素ガスは高圧精留塔下部に分離した酸素富化液化空と熱交換させ、低圧精留塔下部の液化酸素は原料空気の一部と熱交換させるようにして所要動力を削減する方法も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
一方、複精留塔に代えて、熱交換を行いながら精留操作を同時に行うデフレグメーターを用いることにより、所要動力を抑えながら低純度酸素を製造する方法も提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００７】
【非特許文献１】
倉，他２名、「低純度酸素製造装置」、日本酸素技報、日本酸素株式会社、昭和６１年、Ｎｏ．５、ｐ．１５〜１９
【０００８】
【特許文献１】
米国特許第３３２７４８９号明細書
【０００９】
【特許文献２】
米国特許第４４１０３４３号明細書
【００１０】
【特許文献３】
特開平９−１７０８７５号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、副凝縮器で高圧精留塔上部の窒素ガスと熱交換して得られた製品酸素ガスは、低圧精留塔から得られる通常の製品酸素ガスに比べて圧力が低くなるという欠点があった。また、副凝縮器における液化酸素の加熱源として原料空気の一部を用いた場合は、この原料空気が副凝縮器で液化してしまうため、高圧精留塔における処理量が減少して窒素の生成量が少なくなってしまうという欠点があった。
【００１２】
さらに、窒素ガスと液化酸素とを直接熱交換させないものでも、高圧精留塔における処理量が減少して低圧精留塔上部の精留条件が厳しくなってしまうという欠点があった。また、デフレグメーターを使用した場合は、デフレグメーターの原料空気側から抜き出す窒素ガスの濃度を高くすることができず、高純度の製品窒素ガスを採取することが困難であった。
【００１３】
そこで本発明は、複精留塔とデフレグメーターとを効果的に組み合わせて原料空気圧力を低下させることにより所要動力を削減し、製品低純度酸素ガスの原単位を低減できるとともに、必要に応じて高純度の窒素ガスも製品として採取することができる空気液化分離装置及び方法を提供することを目的としている。
【００１４】
【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装置は、圧縮、精製、冷却した原料空気を深冷液化分離して酸素を分離する空気液化分離装置において、前記原料空気を精留して塔上部の高圧窒素ガスと塔下部の酸素富化液化空気とに分離する高圧精留塔と、該高圧精留塔で分離した酸素富化液化空気を精留して塔上部の低圧窒素ガスと塔下部の酸素濃度６０〜９０％の低純度液化酸素とに分離する低圧精留塔と、該低純度液化酸素と前記高圧窒素ガスとを熱交換させて該高圧窒素ガスを液化するとともに前記低純度液化酸素を気化する主凝縮蒸発器と、前記低圧精留塔から抜き出した低純度液化酸素を導入する酸素室と前記原料空気の一部を導入する空気室とを有し、該空気室と前記酸素室とで熱交換を行いながら前記低純度液化酸素を精留して酸素室の下部に液化酸素を生成するデフレグメーターと、前記酸素室の下部から抜き出した液化酸素を原料空気の一部を熱源として気化させるリボイラーと、該リボイラーで気化した酸素ガスを製品酸素ガスとして採取する経路とを備えていることを特徴としている。
【００１５】
さらに、本発明の空気液化分離装置では、前記リボイラーで気化した酸素ガスの一部を前記酸素室の下部に上昇ガスとして導入するための経路と、前記酸素室の上部から抜き出した低純度酸素ガスを前記低圧精留塔に導入する経路と、前記リボイラーで熱源として使用した後の原料空気を前記高圧精留塔に導入する経路と、前記空気室の下部から抜き出した酸素富化液化空気を前記高圧精留塔の酸素富化液化空気に合流させる経路と、該空気室の上部から不純窒素ガスを抜き出す経路とを備えていることを特徴としており、特に、前記空気室の上部から不純窒素ガスを抜き出す経路は、該不純窒素ガスを断熱膨張させて寒冷を発生させる膨張タービンを備えていること、前記リボイラーに加熱源として導入する前記原料空気の一部を、他の原料空気より高い圧力に昇圧する昇圧機を備えるとともに、該リボイラーで熱源として使用した後の原料空気を前記高圧精留塔に導入する前記経路に減圧弁を備えていることを特徴としている。加えて、前記低圧精留塔の上部から製品窒素ガスを採取する経路を備えていることを特徴としている。
【００１６】
また、本発明の空気液化分離方法は、圧縮、精製、冷却した原料空気を深冷液化分離して酸素を分離する空気液化分離方法において、前記原料空気を高圧精留塔で高圧窒素ガスと酸素富化液化空気とに分離する高圧精留工程と、該高圧精留工程で分離した酸素富化液化空気を低圧精留塔で低圧窒素ガスと酸素濃度６０〜９０％の低純度液化酸素とに分離する低圧精留工程と、前記低純度液化酸素と前記高圧窒素ガスとを主凝縮蒸発器で熱交換させることによって該高圧窒素ガスを液化するとともに前記低純度液化酸素を気化する凝縮蒸発工程と、前記低圧精留工程で生成した前記低純度液化酸素と前記原料空気の一部とをデフレグメーターで熱交換させながら前記低純度液化酸素を精留して液化酸素を生成する熱交換精留工程と、該熱交換精留工程で生成した液化酸素をリボイラーで気化して採取する製品酸素ガス採取工程とを有することを特徴とし、さらに、前記リボイラーで気化した酸素ガスの一部を前記デフレグメーターの酸素室の下部に上昇ガスとして導入し、前記酸素室の上部から抜き出した低純度酸素ガスを前記低圧精留塔に導入し、前記リボイラーで熱源として使用した後の原料空気を前記高圧精留塔に導入し、前記デフレグメーターの空気室の下部から抜き出した酸素富化液化空気を前記高圧精留塔の酸素富化液化空気に合流し、前記空気室の上部から不純窒素ガスを抜き出すことを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一形態例を示す空気液化分離装置の系統図である。この空気液化分離装置は、高圧精留塔１１、低圧精留塔１２及び主凝縮蒸発器１３を備えた複精留塔１４と、低純度液化酸素と原料空気の一部とを熱交換させながら精留操作を行うデフレグメーター１５と、デフレグメーター１５から抜き出した液化酸素を気化させるリボイラー（副凝縮器）１６とによって原料空気を深冷液化分離し、酸素濃度が９０〜９８体積％程度の低純度酸素を製品酸素ガスとして採取するように形成されている。
【００１８】
デフレグメーター１５は、低圧精留塔１２から抜き出した低純度液化酸素が上方から導入される酸素室（低圧側）１７と、原料空気の一部が下方から導入される空気室（高圧側）１８とを有するものであって、該空気室１８内の流体と前記酸素室１７内の流体とで熱交換を行いながら前記原料空気及び前記低純度液化酸素をそれぞれ精留し、酸素室１７の下部に所定濃度の液化酸素を生成するように形成されている。
【００１９】
まず、空気濾過器２１を通って大気から導入された原料空気は、原料空気圧縮機２２で、例えば約３９０ｋＰａまで圧縮されて低圧原料空気となり、アフタークーラー２３で圧縮熱を除去された後、空気精製器２４に導入されて水分や二酸化炭素等の不純物が除去される。精製された低圧原料空気は、経路５１と経路５２とに分岐し、経路５１の低圧原料空気は、そのまま主熱交換器２５に導入され、帰還ガスと熱交換を行い、例えば約９４Ｋまで冷却されて経路５３に流出する。経路５３の低圧原料空気は、さらに経路５４と経路５５とに分岐し、経路５４の低圧原料空気が高圧精留塔１１の下部に上昇ガスとして導入され、経路５５の低圧原料空気は、デフレグメーター１５の前記空気室１８に上昇ガスとして導入される。
【００２０】
一方、前記経路５２に分岐した低圧原料空気は、空気昇圧機２６で、例えば約４５０ｋＰａに昇圧されて中圧原料空気となる。この中圧原料空気は、アフタークーラー２７で圧縮熱を除去された後、主熱交換器２５に導入されて帰還ガスと熱交換を行い、例えば約９６Ｋまで冷却されて経路５６に流出する。経路５６の中圧原料空気は、前記リボイラー１６で液化酸素と熱交換を行って液化した後、経路５７の減圧弁２８で減圧されてから高圧精留塔１１の中下部に下降液として導入される。さらに、デフレグメーター１５の前記空気室１８からは、該空気室１８での精留作用によって酸素分が富化した液化空気が抜き出され、経路５８を通って高圧精留塔１１の下部に導入される。
【００２１】
高圧精留塔１１では、前記各経路５４，５７，５８から導入された原料空気の精留操作が行われ、塔上部に高純度の高圧窒素ガスが分離するとともに、塔下部に酸素が濃縮された酸素富化液化空気が分離する。高圧精留塔下部の酸素富化液化空気は、経路５９に抜き出されて過冷器２９で冷却され、過冷液となって減圧弁３０で減圧された後、経路６０から低圧精留塔１２の中部に下降液として導入される。また、高圧精留塔上部の高圧窒素ガスは、経路６１を通って前記主凝縮蒸発器１３に導入され、低圧精留塔下部の液化酸素と熱交換を行い、液化して液化窒素となる。主凝縮蒸発器１３から経路６２に流出した液化窒素は、経路６３と経路６４とに分岐し、経路６３の液化窒素は、高圧精留塔１１の上部に戻って下降液（還流液）となる。一方、経路６４の液化窒素は、前記過冷器２７で冷却されて過冷液となり、減圧弁３１で減圧された後、経路６５から低圧精留塔１２の上部に下降液（還流液）として導入される。
【００２２】
低圧精留塔１２では、精留操作によって塔上部に高純度の低圧窒素ガスが、塔下部に低純度、例えば酸素濃度が約７７％の低純度液化酸素がそれぞれ分離する。塔上部の低圧窒素ガスは、経路６６に抜き出されて前記過冷器２９で前記酸素富化液化空気及び液化窒素を冷却し、前記主熱交換器２５で原料空気を冷却することによって常温に昇温し、経路６７から製品高純度窒素ガスＰＮＧとして採取される。また、低圧精留塔１２の中上部からは経路６８に低純度窒素ガスが抜き出され、同様に過冷器２９及び主熱交換器２５を経て経路６９から廃ガスＷＧとして排出される。
【００２３】
低圧精留塔下部の低純度液化酸素は、経路７１に抜き出されて前記デフレグメーター１５の酸素室１７に下降液として導入される。このデフレグメーター１５は、精留効果を有する熱交換器であって、精留を行いながら高圧側の空気室１８から低圧側の酸素室１７に熱が移動する。
【００２４】
すなわち、デフレグメーター１５では、前記経路５５から空気室１８に導入された低圧原料空気と、前記経路７１から酸素室１７に導入された低純度液化酸素とが熱交換を行い、低圧原料空気から低純度液化酸素に熱が移動するので、酸素室１７内の低純度液化酸素は、前記熱移動により加温されて一部が蒸発しながら室内を下降し、この下降中の液と、蒸発して室内を上昇するガスとの間で精留作用が発生する。これにより、酸素室１７の下部には製品濃度の液化酸素が生成して経路７２に抜き出されるとともに、酸素室１７の上部には製品よりも酸素濃度が低いガス（酸素富化ガス）が生成して経路７３に抜き出される。この経路７３の酸素富化ガスは、低圧精留塔１２の中下部に導入されて上昇ガスとなる。
【００２５】
デフレグメーター１５から前記経路７２に抜き出された液化酸素は、前記リボイラー１６に導入されて前記中圧原料空気により加温され、気化して製品酸素濃度の低純度酸素ガスが生成する。この低純度酸素ガスは、リボイラー１６から経路７４に抜き出されて経路７５と経路７６とに分岐し、経路７５に分岐した低純度酸素ガスが前記主熱交換器２５で原料空気と熱交換して常温となり、経路７７から製品低純度酸素ＰＯＧとして採取される。経路７６に分岐した少量の低純度酸素ガスは、上昇ガスとして酸素室１７に再び導入される。また、リボイラー１６の下部からは、一部の液化酸素が保安液酸ＳＯＬとして経路７８に抜き出される。
【００２６】
一方、空気室１８の低圧原料空気は、酸素室１７に熱を与えることによって自身は冷却されることになり、一部が液化しながら室内を上昇し、この上昇ガスと液化して室内を下降する液との間で精留作用が発生する。これにより、空気室１８の下部には酸素が富化した液化空気が生成して前記経路５８に抜き出されるとともに、空気室１８の上部には窒素が富化したガス（不純窒素ガス）が生成する。この不純窒素ガスは、経路８１に抜き出されて主熱交換器２５で中間温度まで昇温し、さらに、膨張タービン熱交換器３２で常温付近まで昇温した後、経路８２を通って膨張タービン制動ブロワー３３で昇圧される。昇圧した不純窒素は、アフタークーラー３４及び前記膨張タービン熱交換器３２で中間温度まで冷却され、経路８３を通って膨張タービン３５に導入される。昇圧して冷却された不純窒素は、この膨張タービン３５で断熱膨張することによって寒冷を発生し、経路８４を経て主熱交換器２５に導入され、原料空気を冷却した後、経路８５から排窒素ガスＥＮＧとして排出される。
【００２７】
このように形成した空気液化分離装置において、前記デフレグメーター１５では、空気室１８から酸素室１７への熱移動により、酸素室１７の全域にわたって液化酸素の蒸発が生じるので、酸素室１７からリボイラー１６に流入する液化酸素量を少なくすることができる。これにより、リボイラー１６で液化酸素を気化させるために必要となる中圧原料空気量を、従来の副凝縮器方式に比べて減少させることができるので、中圧原料空気を得るための空気昇圧機２６の動力費を削減することができる。
【００２８】
また、空気室１８の上部から抜き出した不純窒素ガスを利用して膨張タービン３５で寒冷を発生させ、装置の運転に必要な寒冷を得るようにすることにより、高圧精留塔１１の負荷を従来よりも軽減できるとともに、高圧精留塔１１で分離生成した高圧窒素ガスの全量を低圧精留塔１２に導入することが可能となるため、低圧精留塔１２の上部から抜き出す高純度の低圧窒素ガス量を増加させることができる。
【００２９】
【実施例】
図１に示した構成の空気液化分離装置を使用して、酸素濃度９５体積％、圧力１３０ｋＰａの低純度酸素ガスを４９７５０Ｎｍ３／ｈ採取する際の主要経路におけるガス又は液の流量、温度、圧力及び酸素濃度を計算した。その結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】
【００３１】
また、比較例として、従来の副凝縮器方式の空気液化分離装置において、前記実施例と同じ酸素濃度９５体積％、圧力１３０ｋＰａの低純度酸素ガスを４９７５０Ｎｍ３／ｈ採取するために、高圧精留塔１１の運転圧力を前記実施例と同一としたときの装置構成例を図２に示す。
【００３２】
なお、図２においては、前記実施例との比較を容易とするため、図１に示した装置と同一乃至類似の機器及び経路には同一符号を付すようにしている。また、運転操作は、基本的に前記形態例での説明と同じであるから、その詳細な説明は省略する。
【００３３】
図２に示す空気液化分離装置では、前記デフレグメーター１５に代えて副凝縮器４１を備えた第２低圧精留塔４２を設置し、副凝縮器４１で気化した低純度酸素ガスを、経路９１に抜き出し、主熱交換器２５を通して経路７７から製品として採取するようにしている。低圧精留塔下部に分離した低純度液化酸素の酸素濃度は、高圧精留塔上部の高圧窒素ガスと熱交換して気化可能な酸素濃度、すなわち、前記実施例と同じ酸素濃度（７７体積％）としておく必要があるから、経路７１に抜き出した低純度液化酸素は、第２低圧精留塔４２で精留して酸素濃度を高め、副凝縮器４１で気化するときに製品酸素濃度（９５体積％）の酸素ガスを発生させるように設定する必要がある。このとき、第２低圧精留塔４２での精留操作に必要な上昇ガスは、前記副凝縮器４１における中圧原料空気との熱交換によってのみ得られることになる。
【００３４】
主熱交換器２５で冷却された経路５３の低圧原料空気は、全量が高圧精留塔１１に導入され、経路５６の中圧原料空気は、副凝縮器４１で液化して経路５７に抜き出され、減圧弁２８で減圧されて高圧精留塔１１に導入される。また、高圧精留塔上部から抜き出された高圧窒素ガスの一部は、膨張タービン３５に向かう経路８１に分岐し、残りの高圧窒素ガスが低圧精留塔下部の低純度液化酸素と熱交換するために主凝縮蒸発器１３に導入される。さらに、第２低圧精留塔４２上部に上昇したガス（酸素富化ガス）は、実施例と同様に、経路７３を通って低圧精留塔４２に戻される。
【００３５】
この比較例装置における主要経路のガス又は液の流量、温度、圧力及び酸素濃度を、前記実施例と同様にして計算した結果を表２に示す。また、実施例と比較例とを比較したものを表３に示す。
【００３６】
【表２】
【００３７】
【表３】
【００３８】
また、前記実施例におけるデフレグメーター１５内の温度分布を図３に、デフレグメーター１５内のガス中の酸素濃度を図４に、さらに、前記比較例における副凝縮器４１の温度分布を図５にそれぞれ示す。
【００３９】
本実施例及び比較例において、低圧精留塔１２の下部に分離した液化酸素を主凝縮蒸発器で気化させるために必要な窒素ガスの圧力は、液化酸素の圧力を同じとすれば酸素濃度によって変化する。例えば、気化した酸素ガスをそのまま製品低純度酸素ガスとして採取する場合、気化した酸素ガスの圧力が１４０ｋＰａで酸素濃度が９５体積％のとき、この酸素ガスと気液平衡となる液化酸素は、酸素濃度が９７．３体積％で沸点が９３Ｋであるから、この液化酸素を蒸発させるためには、窒素ガスの圧力を５００ｋＰａ（このときの窒素の沸点は９４Ｋである。）とする必要がある。一方、窒素より沸点の高い空気で前記液化酸素を気化させるとすると、空気の圧力は４２０ｋＰａでよいことになる。
【００４０】
そして、液化酸素の酸素濃度を７７体積％に低下させて蒸発温度を８９Ｋにすると、窒素ガスの圧力を３４０ｋＰａまで下げることができる。したがって、低圧精留塔下部の液化酸素における酸素濃度を７７体積％に設定することにより、高圧精留塔上部の運転圧力を５００ｋＰａから３４０ｋＰａに下げることが可能となり、原料空気圧力をその分低下させることができる。
【００４１】
しかし、比較例の副凝縮器方式では、副凝縮器４１において、酸素濃度が９５体積％の酸素ガスを蒸発させる必要があるから、低圧精留塔下部から抜き出した液化酸素（７７体積％）を精留して酸素濃度を９５体積％まで高めなければならない。このため、第２低圧精留塔４２で精留操作を行うための上昇ガスを確保する必要があり、副凝縮器４１ではこの上昇ガスとして用いる酸素ガスと、製品として採取する酸素ガスとの合計量を蒸発させなければならないため、熱源として大量の中圧原料空気、すなわち、全空気量に対して約４２％を必要としている。
【００４２】
さらに、熱源として中圧原料空気を使用した場合は、空気の露点と酸素の沸点とに差がある関係上、副凝縮器４１では、図５に示すような温度分布となり、温度レベルを有効に活用できていないことがわかる。また、熱源として使用した中圧原料空気は、液化空気として高圧精留塔１１に導入されるため、高圧精留塔内の上昇ガスが減少し、高圧精留塔１１の精留状態が悪化するという問題も出てくる。
【００４３】
一方、実施例のデフレグメーター方式の場合は、図３及び図４に示すように、熱交換と精留とが同時に行われているため、上部に行くほど低温となり、上部に行くほど酸素分が少なくなる状態で、最下部では９５体積％の液化酸素が得られている状態となっている。このように、デフレグメーターを用いることにより、副凝縮器に用いるような通常の熱交換器よりも温度アプローチを接近させることが可能となるので、各流体の温度レベルを有効に利用できる。そして、酸素室での精留操作に必要な上昇ガスは、そのほとんどをデフレグメーター内での熱交換で得ることができるので、リボイラー１６では、製品として採取する酸素ガスに見合う量の液化酸素を蒸発させればよいから、熱源となる中圧原料空気量が少なくてすむ。
【００４４】
この結果、酸素回収率を比較例の９３．３８％から９６．５２％に向上させることができ、同一製品量の場合は、全原料空気量を２４２７００Ｎｍ３／ｈから２３４８００Ｎｍ３／ｈに削減することができる。また、中圧原料空気量も１０１０００Ｎｍ３／ｈから８００００Ｎｍ３／ｈに削減できるので、原料空気圧縮機及び空気昇圧機の合計所要動力を１３９２４ｋＷから１３３３４ｋＷにまで低減することができる。さらに、高純度窒素の採取量も増加させることができるので、製品酸素及び製品窒素を合わせた原単位を大幅に低減することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高圧精留塔の運転圧力を低く設定して原料空気圧縮機の負荷を軽減できるとともに、製品低純度酸素ガスを蒸発させるための中圧原料空気量も削減でき、全体としての原料空気量も削減できるので、従来に比べて所要動力の低減と酸素回収率の向上とが図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一形態例を示す空気液化分離装置の系統図である。
【図２】 実施例において比較した空気液化分離装置の系統図である。
【図３】 実施例におけるデフレグメーター内の温度分布を示す図である。
【図４】 実施例におけるデフレグメーター内のガス中の酸素濃度を示す図である。
【図５】 比較例における副凝縮器４１の温度分布を示す図である。
【符号の説明】
１１…高圧精留塔、１２…低圧精留塔、１３…主凝縮蒸発器、１４…複精留塔、１５…デフレグメーター、１６…リボイラー、１７…酸素室、１８…空気室、２１…空気濾過器、２２…原料空気圧縮機、２３…アフタークーラー、２４…空気精製器、２５…主熱交換器、２６…空気昇圧機、２７…アフタークーラー、２８…減圧弁、２９…過冷器、３０…減圧弁、３１…減圧弁、３２…膨張タービン熱交換器、３３…膨張タービン制動ブロワー、３４…アフタークーラー、３５…膨張タービン、４１…副凝縮器、４２…第２低圧精留塔、ＰＮＧ…製品高純度窒素ガス、ＰＯＧ…製品低純度酸素
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気液化分離装置及び方法に関し、詳しくは、圧縮，精製，冷却した原料空気を深冷液化分離することにより、少なくとも低純度酸素ガスを製品として採取するための空気液化分離装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高炉吹込み用や酸素富化燃焼用等で使用する低純度酸素を供給するための装置として、複精留塔を用いた空気液化分離装置が広く用いられており、従来から、所要動力を削減して原単位を低減するために種々の工夫がなされてきている。
【０００３】
例えば、主凝縮蒸発器とは別に副凝縮器を設け、この副凝縮器で窒素ガスと熱交換させて液化酸素の略全量を気化させるように形成することにより、低圧精留塔下部の液化酸素濃度を低下させるとともに、高圧精留塔上部の窒素ガス圧力を低下させ、これによって原料空気圧力を低くする方法が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
また、副凝縮器で液化酸素と熱交換させるガスとして窒素よりも沸点の高い原料空気の一部を利用するとともに、高圧精留塔上部の窒素ガスを酸素濃度の低い液化酸素と熱交換させることにより、原料空気圧力を低くする方法も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
さらに、高圧精留塔上部の窒素ガスと低圧精留塔下部の液化酸素とを直接熱交換させず、高圧精留塔上部の窒素ガスは高圧精留塔下部に分離した酸素富化液化空と熱交換させ、低圧精留塔下部の液化酸素は原料空気の一部と熱交換させるようにして所要動力を削減する方法も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
一方、複精留塔に代えて、熱交換を行いながら精留操作を同時に行うデフレグメーターを用いることにより、所要動力を抑えながら低純度酸素を製造する方法も提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００７】
【非特許文献１】
倉，他２名、「低純度酸素製造装置」、日本酸素技報、日本酸素株式会社、昭和６１年、Ｎｏ．５、ｐ．１５〜１９
【０００８】
【特許文献１】
米国特許第３３２７４８９号明細書
【０００９】
【特許文献２】
米国特許第４４１０３４３号明細書
【００１０】
【特許文献３】
特開平９−１７０８７５号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、副凝縮器で高圧精留塔上部の窒素ガスと熱交換して得られた製品酸素ガスは、低圧精留塔から得られる通常の製品酸素ガスに比べて圧力が低くなるという欠点があった。また、副凝縮器における液化酸素の加熱源として原料空気の一部を用いた場合は、この原料空気が副凝縮器で液化してしまうため、高圧精留塔における処理量が減少して窒素の生成量が少なくなってしまうという欠点があった。
【００１２】
さらに、窒素ガスと液化酸素とを直接熱交換させないものでも、高圧精留塔における処理量が減少して低圧精留塔上部の精留条件が厳しくなってしまうという欠点があった。また、デフレグメーターを使用した場合は、デフレグメーターの原料空気側から抜き出す窒素ガスの濃度を高くすることができず、高純度の製品窒素ガスを採取することが困難であった。
【００１３】
そこで本発明は、複精留塔とデフレグメーターとを効果的に組み合わせて原料空気圧力を低下させることにより所要動力を削減し、製品低純度酸素ガスの原単位を低減できるとともに、必要に応じて高純度の窒素ガスも製品として採取することができる空気液化分離装置及び方法を提供することを目的としている。
【００１４】
【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装置は、圧縮、精製、冷却した原料空気を深冷液化分離して酸素を分離する空気液化分離装置において、前記原料空気を精留して塔上部の高圧窒素ガスと塔下部の酸素富化液化空気とに分離する高圧精留塔と、該高圧精留塔で分離した酸素富化液化空気を精留して塔上部の低圧窒素ガスと塔下部の酸素濃度６０〜９０％の低純度液化酸素とに分離する低圧精留塔と、該低純度液化酸素と前記高圧窒素ガスとを熱交換させて該高圧窒素ガスを液化するとともに前記低純度液化酸素を気化する主凝縮蒸発器と、前記低圧精留塔から抜き出した低純度液化酸素を導入する酸素室と前記原料空気の一部を導入する空気室とを有し、該空気室と前記酸素室とで熱交換を行いながら前記低純度液化酸素を精留して酸素室の下部に液化酸素を生成するデフレグメーターと、前記酸素室の下部から抜き出した液化酸素を原料空気の一部を熱源として気化させるリボイラーと、該リボイラーで気化した酸素ガスを製品酸素ガスとして採取する経路とを備えていることを特徴としている。
【００１５】
さらに、本発明の空気液化分離装置では、前記リボイラーで気化した酸素ガスの一部を前記酸素室の下部に上昇ガスとして導入するための経路と、前記酸素室の上部から抜き出した低純度酸素ガスを前記低圧精留塔に導入する経路と、前記リボイラーで熱源として使用した後の原料空気を前記高圧精留塔に導入する経路と、前記空気室の下部から抜き出した酸素富化液化空気を前記高圧精留塔の酸素富化液化空気に合流させる経路と、該空気室の上部から不純窒素ガスを抜き出す経路とを備えていることを特徴としており、特に、前記空気室の上部から不純窒素ガスを抜き出す経路は、該不純窒素ガスを断熱膨張させて寒冷を発生させる膨張タービンを備えていること、前記リボイラーに加熱源として導入する前記原料空気の一部を、他の原料空気より高い圧力に昇圧する昇圧機を備えるとともに、該リボイラーで熱源として使用した後の原料空気を前記高圧精留塔に導入する前記経路に減圧弁を備えていることを特徴としている。加えて、前記低圧精留塔の上部から製品窒素ガスを採取する経路を備えていることを特徴としている。
【００１６】
また、本発明の空気液化分離方法は、圧縮、精製、冷却した原料空気を深冷液化分離して酸素を分離する空気液化分離方法において、前記原料空気を高圧精留塔で高圧窒素ガスと酸素富化液化空気とに分離する高圧精留工程と、該高圧精留工程で分離した酸素富化液化空気を低圧精留塔で低圧窒素ガスと酸素濃度６０〜９０％の低純度液化酸素とに分離する低圧精留工程と、前記低純度液化酸素と前記高圧窒素ガスとを主凝縮蒸発器で熱交換させることによって該高圧窒素ガスを液化するとともに前記低純度液化酸素を気化する凝縮蒸発工程と、前記低圧精留工程で生成した前記低純度液化酸素と前記原料空気の一部とをデフレグメーターで熱交換させながら前記低純度液化酸素を精留して液化酸素を生成する熱交換精留工程と、該熱交換精留工程で生成した液化酸素をリボイラーで気化して採取する製品酸素ガス採取工程とを有することを特徴とし、さらに、前記リボイラーで気化した酸素ガスの一部を前記デフレグメーターの酸素室の下部に上昇ガスとして導入し、前記酸素室の上部から抜き出した低純度酸素ガスを前記低圧精留塔に導入し、前記リボイラーで熱源として使用した後の原料空気を前記高圧精留塔に導入し、前記デフレグメーターの空気室の下部から抜き出した酸素富化液化空気を前記高圧精留塔の酸素富化液化空気に合流し、前記空気室の上部から不純窒素ガスを抜き出すことを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一形態例を示す空気液化分離装置の系統図である。この空気液化分離装置は、高圧精留塔１１、低圧精留塔１２及び主凝縮蒸発器１３を備えた複精留塔１４と、低純度液化酸素と原料空気の一部とを熱交換させながら精留操作を行うデフレグメーター１５と、デフレグメーター１５から抜き出した液化酸素を気化させるリボイラー（副凝縮器）１６とによって原料空気を深冷液化分離し、酸素濃度が９０〜９８体積％程度の低純度酸素を製品酸素ガスとして採取するように形成されている。
【００１８】
デフレグメーター１５は、低圧精留塔１２から抜き出した低純度液化酸素が上方から導入される酸素室（低圧側）１７と、原料空気の一部が下方から導入される空気室（高圧側）１８とを有するものであって、該空気室１８内の流体と前記酸素室１７内の流体とで熱交換を行いながら前記原料空気及び前記低純度液化酸素をそれぞれ精留し、酸素室１７の下部に所定濃度の液化酸素を生成するように形成されている。
【００１９】
まず、空気濾過器２１を通って大気から導入された原料空気は、原料空気圧縮機２２で、例えば約３９０ｋＰａまで圧縮されて低圧原料空気となり、アフタークーラー２３で圧縮熱を除去された後、空気精製器２４に導入されて水分や二酸化炭素等の不純物が除去される。精製された低圧原料空気は、経路５１と経路５２とに分岐し、経路５１の低圧原料空気は、そのまま主熱交換器２５に導入され、帰還ガスと熱交換を行い、例えば約９４Ｋまで冷却されて経路５３に流出する。経路５３の低圧原料空気は、さらに経路５４と経路５５とに分岐し、経路５４の低圧原料空気が高圧精留塔１１の下部に上昇ガスとして導入され、経路５５の低圧原料空気は、デフレグメーター１５の前記空気室１８に上昇ガスとして導入される。
【００２０】
一方、前記経路５２に分岐した低圧原料空気は、空気昇圧機２６で、例えば約４５０ｋＰａに昇圧されて中圧原料空気となる。この中圧原料空気は、アフタークーラー２７で圧縮熱を除去された後、主熱交換器２５に導入されて帰還ガスと熱交換を行い、例えば約９６Ｋまで冷却されて経路５６に流出する。経路５６の中圧原料空気は、前記リボイラー１６で液化酸素と熱交換を行って液化した後、経路５７の減圧弁２８で減圧されてから高圧精留塔１１の中下部に下降液として導入される。さらに、デフレグメーター１５の前記空気室１８からは、該空気室１８での精留作用によって酸素分が富化した液化空気が抜き出され、経路５８を通って高圧精留塔１１の下部に導入される。
【００２１】
高圧精留塔１１では、前記各経路５４，５７，５８から導入された原料空気の精留操作が行われ、塔上部に高純度の高圧窒素ガスが分離するとともに、塔下部に酸素が濃縮された酸素富化液化空気が分離する。高圧精留塔下部の酸素富化液化空気は、経路５９に抜き出されて過冷器２９で冷却され、過冷液となって減圧弁３０で減圧された後、経路６０から低圧精留塔１２の中部に下降液として導入される。また、高圧精留塔上部の高圧窒素ガスは、経路６１を通って前記主凝縮蒸発器１３に導入され、低圧精留塔下部の液化酸素と熱交換を行い、液化して液化窒素となる。主凝縮蒸発器１３から経路６２に流出した液化窒素は、経路６３と経路６４とに分岐し、経路６３の液化窒素は、高圧精留塔１１の上部に戻って下降液（還流液）となる。一方、経路６４の液化窒素は、前記過冷器２７で冷却されて過冷液となり、減圧弁３１で減圧された後、経路６５から低圧精留塔１２の上部に下降液（還流液）として導入される。
【００２２】
低圧精留塔１２では、精留操作によって塔上部に高純度の低圧窒素ガスが、塔下部に低純度、例えば酸素濃度が約７７％の低純度液化酸素がそれぞれ分離する。塔上部の低圧窒素ガスは、経路６６に抜き出されて前記過冷器２９で前記酸素富化液化空気及び液化窒素を冷却し、前記主熱交換器２５で原料空気を冷却することによって常温に昇温し、経路６７から製品高純度窒素ガスＰＮＧとして採取される。また、低圧精留塔１２の中上部からは経路６８に低純度窒素ガスが抜き出され、同様に過冷器２９及び主熱交換器２５を経て経路６９から廃ガスＷＧとして排出される。
【００２３】
低圧精留塔下部の低純度液化酸素は、経路７１に抜き出されて前記デフレグメーター１５の酸素室１７に下降液として導入される。このデフレグメーター１５は、精留効果を有する熱交換器であって、精留を行いながら高圧側の空気室１８から低圧側の酸素室１７に熱が移動する。
【００２４】
すなわち、デフレグメーター１５では、前記経路５５から空気室１８に導入された低圧原料空気と、前記経路７１から酸素室１７に導入された低純度液化酸素とが熱交換を行い、低圧原料空気から低純度液化酸素に熱が移動するので、酸素室１７内の低純度液化酸素は、前記熱移動により加温されて一部が蒸発しながら室内を下降し、この下降中の液と、蒸発して室内を上昇するガスとの間で精留作用が発生する。これにより、酸素室１７の下部には製品濃度の液化酸素が生成して経路７２に抜き出されるとともに、酸素室１７の上部には製品よりも酸素濃度が低いガス（酸素富化ガス）が生成して経路７３に抜き出される。この経路７３の酸素富化ガスは、低圧精留塔１２の中下部に導入されて上昇ガスとなる。
【００２５】
デフレグメーター１５から前記経路７２に抜き出された液化酸素は、前記リボイラー１６に導入されて前記中圧原料空気により加温され、気化して製品酸素濃度の低純度酸素ガスが生成する。この低純度酸素ガスは、リボイラー１６から経路７４に抜き出されて経路７５と経路７６とに分岐し、経路７５に分岐した低純度酸素ガスが前記主熱交換器２５で原料空気と熱交換して常温となり、経路７７から製品低純度酸素ＰＯＧとして採取される。経路７６に分岐した少量の低純度酸素ガスは、上昇ガスとして酸素室１７に再び導入される。また、リボイラー１６の下部からは、一部の液化酸素が保安液酸ＳＯＬとして経路７８に抜き出される。
【００２６】
一方、空気室１８の低圧原料空気は、酸素室１７に熱を与えることによって自身は冷却されることになり、一部が液化しながら室内を上昇し、この上昇ガスと液化して室内を下降する液との間で精留作用が発生する。これにより、空気室１８の下部には酸素が富化した液化空気が生成して前記経路５８に抜き出されるとともに、空気室１８の上部には窒素が富化したガス（不純窒素ガス）が生成する。この不純窒素ガスは、経路８１に抜き出されて主熱交換器２５で中間温度まで昇温し、さらに、膨張タービン熱交換器３２で常温付近まで昇温した後、経路８２を通って膨張タービン制動ブロワー３３で昇圧される。昇圧した不純窒素は、アフタークーラー３４及び前記膨張タービン熱交換器３２で中間温度まで冷却され、経路８３を通って膨張タービン３５に導入される。昇圧して冷却された不純窒素は、この膨張タービン３５で断熱膨張することによって寒冷を発生し、経路８４を経て主熱交換器２５に導入され、原料空気を冷却した後、経路８５から排窒素ガスＥＮＧとして排出される。
【００２７】
このように形成した空気液化分離装置において、前記デフレグメーター１５では、空気室１８から酸素室１７への熱移動により、酸素室１７の全域にわたって液化酸素の蒸発が生じるので、酸素室１７からリボイラー１６に流入する液化酸素量を少なくすることができる。これにより、リボイラー１６で液化酸素を気化させるために必要となる中圧原料空気量を、従来の副凝縮器方式に比べて減少させることができるので、中圧原料空気を得るための空気昇圧機２６の動力費を削減することができる。
【００２８】
また、空気室１８の上部から抜き出した不純窒素ガスを利用して膨張タービン３５で寒冷を発生させ、装置の運転に必要な寒冷を得るようにすることにより、高圧精留塔１１の負荷を従来よりも軽減できるとともに、高圧精留塔１１で分離生成した高圧窒素ガスの全量を低圧精留塔１２に導入することが可能となるため、低圧精留塔１２の上部から抜き出す高純度の低圧窒素ガス量を増加させることができる。
【００２９】
【実施例】
図１に示した構成の空気液化分離装置を使用して、酸素濃度９５体積％、圧力１３０ｋＰａの低純度酸素ガスを４９７５０Ｎｍ３／ｈ採取する際の主要経路におけるガス又は液の流量、温度、圧力及び酸素濃度を計算した。その結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】
また、比較例として、従来の副凝縮器方式の空気液化分離装置において、前記実施例と同じ酸素濃度９５体積％、圧力１３０ｋＰａの低純度酸素ガスを４９７５０Ｎｍ３／ｈ採取するために、高圧精留塔１１の運転圧力を前記実施例と同一としたときの装置構成例を図２に示す。
【００３２】
なお、図２においては、前記実施例との比較を容易とするため、図１に示した装置と同一乃至類似の機器及び経路には同一符号を付すようにしている。また、運転操作は、基本的に前記形態例での説明と同じであるから、その詳細な説明は省略する。
【００３３】
図２に示す空気液化分離装置では、前記デフレグメーター１５に代えて副凝縮器４１を備えた第２低圧精留塔４２を設置し、副凝縮器４１で気化した低純度酸素ガスを、経路９１に抜き出し、主熱交換器２５を通して経路７７から製品として採取するようにしている。低圧精留塔下部に分離した低純度液化酸素の酸素濃度は、高圧精留塔上部の高圧窒素ガスと熱交換して気化可能な酸素濃度、すなわち、前記実施例と同じ酸素濃度（７７体積％）としておく必要があるから、経路７１に抜き出した低純度液化酸素は、第２低圧精留塔４２で精留して酸素濃度を高め、副凝縮器４１で気化するときに製品酸素濃度（９５体積％）の酸素ガスを発生させるように設定する必要がある。このとき、第２低圧精留塔４２での精留操作に必要な上昇ガスは、前記副凝縮器４１における中圧原料空気との熱交換によってのみ得られることになる。
【００３４】
主熱交換器２５で冷却された経路５３の低圧原料空気は、全量が高圧精留塔１１に導入され、経路５６の中圧原料空気は、副凝縮器４１で液化して経路５７に抜き出され、減圧弁２８で減圧されて高圧精留塔１１に導入される。また、高圧精留塔上部から抜き出された高圧窒素ガスの一部は、膨張タービン３５に向かう経路８１に分岐し、残りの高圧窒素ガスが低圧精留塔下部の低純度液化酸素と熱交換するために主凝縮蒸発器１３に導入される。さらに、第２低圧精留塔４２上部に上昇したガス（酸素富化ガス）は、実施例と同様に、経路７３を通って低圧精留塔４２に戻される。
【００３５】
この比較例装置における主要経路のガス又は液の流量、温度、圧力及び酸素濃度を、前記実施例と同様にして計算した結果を表２に示す。また、実施例と比較例とを比較したものを表３に示す。
【００３６】
【表２】
【表３】
また、前記実施例におけるデフレグメーター１５内の温度分布を図３に、デフレグメーター１５内のガス中の酸素濃度を図４に、さらに、前記比較例における副凝縮器４１の温度分布を図５にそれぞれ示す。
【００３９】
本実施例及び比較例において、低圧精留塔１２の下部に分離した液化酸素を主凝縮蒸発器で気化させるために必要な窒素ガスの圧力は、液化酸素の圧力を同じとすれば酸素濃度によって変化する。例えば、気化した酸素ガスをそのまま製品低純度酸素ガスとして採取する場合、気化した酸素ガスの圧力が１４０ｋＰａで酸素濃度が９５体積％のとき、この酸素ガスと気液平衡となる液化酸素は、酸素濃度が９７．３体積％で沸点が９３Ｋであるから、この液化酸素を蒸発させるためには、窒素ガスの圧力を５００ｋＰａ（このときの窒素の沸点は９４Ｋである。）とする必要がある。一方、窒素より沸点の高い空気で前記液化酸素を気化させるとすると、空気の圧力は４２０ｋＰａでよいことになる。
【００４０】
そして、液化酸素の酸素濃度を７７体積％に低下させて蒸発温度を８９Ｋにすると、窒素ガスの圧力を３４０ｋＰａまで下げることができる。したがって、低圧精留塔下部の液化酸素における酸素濃度を７７体積％に設定することにより、高圧精留塔上部の運転圧力を５００ｋＰａから３４０ｋＰａに下げることが可能となり、原料空気圧力をその分低下させることができる。
【００４１】
しかし、比較例の副凝縮器方式では、副凝縮器４１において、酸素濃度が９５体積％の酸素ガスを蒸発させる必要があるから、低圧精留塔下部から抜き出した液化酸素（７７体積％）を精留して酸素濃度を９５体積％まで高めなければならない。このため、第２低圧精留塔４２で精留操作を行うための上昇ガスを確保する必要があり、副凝縮器４１ではこの上昇ガスとして用いる酸素ガスと、製品として採取する酸素ガスとの合計量を蒸発させなければならないため、熱源として大量の中圧原料空気、すなわち、全空気量に対して約４２％を必要としている。
【００４２】
さらに、熱源として中圧原料空気を使用した場合は、空気の露点と酸素の沸点とに差がある関係上、副凝縮器４１では、図５に示すような温度分布となり、温度レベルを有効に活用できていないことがわかる。また、熱源として使用した中圧原料空気は、液化空気として高圧精留塔１１に導入されるため、高圧精留塔内の上昇ガスが減少し、高圧精留塔１１の精留状態が悪化するという問題も出てくる。
【００４３】
一方、実施例のデフレグメーター方式の場合は、図３及び図４に示すように、熱交換と精留とが同時に行われているため、上部に行くほど低温となり、上部に行くほど酸素分が少なくなる状態で、最下部では９５体積％の液化酸素が得られている状態となっている。このように、デフレグメーターを用いることにより、副凝縮器に用いるような通常の熱交換器よりも温度アプローチを接近させることが可能となるので、各流体の温度レベルを有効に利用できる。そして、酸素室での精留操作に必要な上昇ガスは、そのほとんどをデフレグメーター内での熱交換で得ることができるので、リボイラー１６では、製品として採取する酸素ガスに見合う量の液化酸素を蒸発させればよいから、熱源となる中圧原料空気量が少なくてすむ。
【００４４】
この結果、酸素回収率を比較例の９３．３８％から９６．５２％に向上させることができ、同一製品量の場合は、全原料空気量を２４２７００Ｎｍ３／ｈから２３４８００Ｎｍ３／ｈに削減することができる。また、中圧原料空気量も１０１０００Ｎｍ３／ｈから８００００Ｎｍ３／ｈに削減できるので、原料空気圧縮機及び空気昇圧機の合計所要動力を１３９２４ｋＷから１３３３４ｋＷにまで低減することができる。さらに、高純度窒素の採取量も増加させることができるので、製品酸素及び製品窒素を合わせた原単位を大幅に低減することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高圧精留塔の運転圧力を低く設定して原料空気圧縮機の負荷を軽減できるとともに、製品低純度酸素ガスを蒸発させるための中圧原料空気量も削減でき、全体としての原料空気量も削減できるので、従来に比べて所要動力の低減と酸素回収率の向上とが図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一形態例を示す空気液化分離装置の系統図である。
【図２】 実施例において比較した空気液化分離装置の系統図である。
【図３】 実施例におけるデフレグメーター内の温度分布を示す図である。
【図４】 実施例におけるデフレグメーター内のガス中の酸素濃度を示す図である。
【図５】 比較例における副凝縮器４１の温度分布を示す図である。
【符号の説明】
１１…高圧精留塔、１２…低圧精留塔、１３…主凝縮蒸発器、１４…複精留塔、１５…デフレグメーター、１６…リボイラー、１７…酸素室、１８…空気室、２１…空気濾過器、２２…原料空気圧縮機、２３…アフタークーラー、２４…空気精製器、２５…主熱交換器、２６…空気昇圧機、２７…アフタークーラー、２８…減圧弁、２９…過冷器、３０…減圧弁、３１…減圧弁、３２…膨張タービン熱交換器、３３…膨張タービン制動ブロワー、３４…アフタークーラー、３５…膨張タービン、４１…副凝縮器、４２…第２低圧精留塔、ＰＮＧ…製品高純度窒素ガス、ＰＯＧ…製品低純度酸素
Claims (7)
- 圧縮、精製、冷却した原料空気を深冷液化分離して酸素を分離する空気液化分離装置において、前記原料空気を精留して塔上部の高圧窒素ガスと塔下部の酸素富化液化空気とに分離する高圧精留塔と、該高圧精留塔で分離した酸素富化液化空気を精留して塔上部の低圧窒素ガスと塔下部の酸素濃度６０〜９０％の低純度液化酸素とに分離する低圧精留塔と、該低純度液化酸素と前記高圧窒素ガスとを熱交換させて該高圧窒素ガスを液化するとともに前記低純度液化酸素を気化する主凝縮蒸発器と、前記低圧精留塔から抜き出した低純度液化酸素を導入する酸素室と前記原料空気の一部を導入する空気室とを有し、該空気室と前記酸素室とで熱交換を行いながら前記低純度液化酸素を精留して酸素室の下部に液化酸素を生成するデフレグメーターと、前記酸素室の下部から抜き出した液化酸素を原料空気の一部を熱源として気化させるリボイラーと、該リボイラーで気化した酸素ガスを製品酸素ガスとして採取する経路とを備えていることを特徴とする空気液化分離装置。
- 圧縮、精製、冷却した原料空気を深冷液化分離して酸素を分離する空気液化分離装置において、前記原料空気を精留して塔上部の高圧窒素ガスと塔下部の酸素富化液化空気とに分離する高圧精留塔と、該高圧精留塔で分離した酸素富化液化空気を精留して塔上部の低圧窒素ガスと塔下部の酸素濃度６０〜９０％の低純度液化酸素とに分離する低圧精留塔と、該低純度液化酸素と前記高圧窒素ガスとを熱交換させて該高圧窒素ガスを液化するとともに前記低純度液化酸素を気化する主凝縮蒸発器と、前記低圧精留塔から抜き出した低純度液化酸素を導入する酸素室と前記原料空気の一部を導入する空気室とを有し、該空気室と前記酸素室とで熱交換を行いながら前記低純度液化酸素を精留して酸素室の下部に液化酸素を生成するデフレグメーターと、前記酸素室の下部から抜き出した液化酸素を原料空気の一部を熱源として気化させるリボイラーと、該リボイラーで気化した酸素ガスを製品酸素ガスとして採取する経路と、前記リボイラーで気化した酸素ガスの一部を前記酸素室の下部に上昇ガスとして導入するための経路と、前記酸素室の上部から抜き出した低純度酸素ガスを前記低圧精留塔に導入する経路と、前記リボイラーで熱源として使用した後の原料空気を前記高圧精留塔に導入する経路と、前記空気室の下部から抜き出した酸素富化液化空気を前記高圧精留塔の酸素富化液化空気に合流させる経路と、該空気室の上部から不純窒素ガスを抜き出す経路とを備えていることを特徴とする空気液化分離装置。
- 前記空気室の上部から不純窒素ガスを抜き出す経路は、該不純窒素ガスを断熱膨張させて寒冷を発生させる膨張タービンを備えていることを特徴とする請求項２記載の空気液化分離装置。
- 前記リボイラーに加熱源として導入する前記原料空気の一部を、他の原料空気より高い圧力に昇圧する昇圧機を備えるとともに、該リボイラーで熱源として使用した後の原料空気を前記高圧精留塔に導入する前記経路に減圧弁を備えていることを特徴とする請求項２記載の空気液化分離装置。
- 前記低圧精留塔の上部から製品窒素ガスを採取する経路を備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の空気液化分離装置。
- 圧縮、精製、冷却した原料空気を深冷液化分離して酸素を分離する空気液化分離方法において、前記原料空気を高圧精留塔で高圧窒素ガスと酸素富化液化空気とに分離する高圧精留工程と、該高圧精留工程で分離した酸素富化液化空気を低圧精留塔で低圧窒素ガスと酸素濃度６０〜９０％の低純度液化酸素とに分離する低圧精留工程と、前記低純度液化酸素と前記高圧窒素ガスとを主凝縮蒸発器で熱交換させることによって該高圧窒素ガスを液化するとともに前記低純度液化酸素を気化する凝縮蒸発工程と、前記低圧精留工程で生成した前記低純度液化酸素と前記原料空気の一部とをデフレグメーターで熱交換させながら前記低純度液化酸素を精留して液化酸素を生成する熱交換精留工程と、該熱交換精留工程で生成した液化酸素をリボイラーで気化して採取する製品酸素ガス採取工程とを有することを特徴とする空気液化分離方法。
- 圧縮、精製、冷却した原料空気を深冷液化分離して酸素を分離する空気液化分離方法において、前記原料空気を高圧精留塔で高圧窒素ガスと酸素富化液化空気とに分離する高圧精留工程と、該高圧精留工程で分離した酸素富化液化空気を低圧精留塔で低圧窒素ガスと酸素濃度６０〜９０％の低純度液化酸素とに分離する低圧精留工程と、前記低純度液化酸素と前記高圧窒素ガスとを主凝縮蒸発器で熱交換させることによって該高圧窒素ガスを液化するとともに前記低純度液化酸素を気化する凝縮蒸発工程と、前記低圧精留工程で生成した前記低純度液化酸素と前記原料空気の一部とをデフレグメーターで熱交換させながら前記低純度液化酸素を精留して液化酸素を生成する熱交換精留工程と、該熱交換精留工程で生成した液化酸素をリボイラーで気化して採取する製品酸素ガス採取工程とを有し、前記リボイラーで気化した酸素ガスの一部を前記デフレグメーターの酸素室の下部に上昇ガスとして導入し、前記酸素室の上部から抜き出した低純度酸素ガスを前記低圧精留塔に導入し、前記リボイラーで熱源として使用した後の原料空気を前記高圧精留塔に導入し、前記デフレグメーターの空気室の下部から抜き出した酸素富化液化空気を前記高圧精留塔の酸素富化液化空気に合流し、前記空気室の上部から不純窒素ガスを抜き出すことを特徴とする空気液化分離方法。
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