JP5584711B2 - 空気分離装置 - Google Patents
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Description
本発明は、原料空気から窒素や酸素を精留分離する空気分離装置に関するものである。
ガス化複合発電設備や製鉄所には大量の酸素や窒素が必要とされる。これらの用途には空気分離装置が多く設置される。
発電設備や製鉄所のように大量の酸素が消費される工場には、場内に酸素自給のための酸素製造設備を併設することが多く、従来、酸素製造設備として最も汎用されているのは、空気を原料として酸素を得ることができ、しかも副産物として窒素を得ることのできる空気分離装置である。
従来の空気分離装置として、図６に示す様な構成のものが知られている（例えば特許文献１参照）。
図６の空気分離装置１００において、原料空気は空気圧縮機１０１で圧縮され、空気予冷装置１０２で予冷されて、モレキュラシーブ吸着塔（以下、ＭＳ吸着塔と称する）１０３で浄化された後、保冷箱１０４内に導入される。そして、保冷箱１０４内に導入された原料空気は、まず主熱交換器１０５で冷却された後、原料空気導入通路１１３により主精留塔１０６の下塔１０７内の底部に導入される。この下塔１０７内で窒素ガスと富酸素液体空気とに精製分離される。下塔１０７内の上記窒素ガス及び上記富酸素液体空気は、それぞれサブクーラー１１０を通る窒素移送通路１１６及び原料空気移送通路１１４を介して上塔１０８内に導入され、この上塔１０８内で高純度窒素ガスと液体酸素とに精製分離される。なお、原料空気移送通路１１４の下流側には上記富酸素液体空気の流量を調整するためのバルブ１１５が設けられており、窒素移送通路１１６の下流側にも上記窒素ガスの流量を調整するためのバルブ１１７が設けられている。上塔１０８内の底部には主凝縮器１０９が設けられている。
上塔１０８内の頂部からは、窒素導出通路１１８により高純度窒素ガス（製品窒素）が導出される。この製品窒素は、窒素導出通路１１８によりサブクーラー１１０及び主熱交換器１０５を通じて保冷箱１０４の外へ導出され、製品窒素圧縮機１２４で圧縮された後に回収される。
上塔１０８において窒素導出通路１１８による導出位置よりも下方の位置に接続された廃窒素導出通路１１９により廃窒素ガスが導出される。この廃窒素ガスは、サブクーラー１１０及び主熱交換器１０５を通った後、膨張タービン１１１に供給される。そして、廃窒素ガスは膨張タービン１１１により膨張されることによって寒冷が発生し、保冷箱１０４内の冷却に寄与した後、ガス排出通路１２０を通じて外部へ排出される。すなわち、上記廃窒素ガスのエネルギーは、膨張タービン１１１において保冷箱１０４内の寒冷のために利用されている。
また、上塔１０８内の底部からは、酸素導出通路１２１により製品酸素が導出される。この製品酸素は、主熱交換器１０５を通過後、膨張タービン１１１と連動して回転するブロア１１２により圧縮され、さらに酸素導出通路１２２を通じて製品酸素圧縮機１２３で圧縮された後に回収される。
この製品酸素に代わり、上塔１０８頂部から窒素導出通路１１８により取り出された製品窒素を主熱交換器１０５の通過後に製品酸素圧縮機１２３に導入するケースも実用化されている。
このように、従来の空気分離装置１００では上塔１０８から導出される有圧の廃窒素ガスを膨張タービン１１１に導入して寒冷発生させ、残りの製品窒素及び酸素を有圧で主熱交換器１０５より取り出すようにしている。これにより、たとえ原料空気の圧力を高めに設定し、空気圧縮機１０１の動力を増やしても、有圧となった廃窒素ガスの圧力エネルギーを膨張タービン１１１での寒冷発生に有効に利用し、かつ製品窒素、酸素を有圧で主熱交換器１０５より取り出すことができるため、製品酸素圧縮機１２３及び製品窒素圧縮機１２４の必要動力を低減することができるか、又は用途によってはこれらの圧縮機１２３，１２４を設ける必要がなくなる。
上述したように、ブロア（昇圧機）に必要な動力は、当該ブロアに接続された膨張タービンで発生される。しかしながら、この膨張タービンで発生された動力（熱エネルギーから変換後の運動エネルギー）と保冷箱の寒冷のための熱エネルギーは同じであることから、昇圧機に必要とされる動力と保冷箱に必要とされる寒冷とが一致しない場合に問題となる。すなわち、上記必要とされる寒冷は、空気分離装置の運転状況によって大きく異なるので、上記必要な動力と上記必要な寒冷とが一致しない場合がほとんどであり、昇圧機の昇圧効率を維持するために、余剰寒冷を発生させてこの余剰寒冷を液として排出していた。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、余剰寒冷を発生させることなく、製品ガスの昇圧に要する動力を低減しつつ、要求されるガス圧に応じた製品ガスを得ることができる空気分離装置を提供することである。
本発明に係る空気分離装置は、原料空気から窒素ガスを精留分離する高圧塔と、前記高圧塔から供給される酸素リッチな液体空気と液体窒素を酸素ガスと窒素ガスとに精留分離する低圧塔とが保冷箱に設けられている空気分離装置であって、
前記低圧塔で精留分離され常温に戻された前記窒素ガスを昇圧させる第１昇圧機と、
第１気体を膨張させ、第１膨張後気体導出路を通じて前記保冷箱内に寒冷を供給するとともに前記第１昇圧機への動力を発生させる第１膨張タービンと、
前記低圧塔で精留分離された低温の前記窒素ガス或いは前記酸素ガス、又は前記高圧塔で精留分離された低温の前記窒素ガスを昇圧させる第２昇圧機と、
第２気体を膨張させ、前記保冷箱内に設けられた熱交換器又は前記高圧塔に通じる第２膨張後気体導出路に供給するとともに前記第２昇圧機への動力を発生させる第２膨張タービンと、
前記第１膨張タービン及び前記第２膨張タービンの一方または双方への前記第１及び第２気体の流路を切り替える切り替え弁と、
前記低圧塔で精留分離された低温の前記窒素ガス或いは前記酸素ガス、又は前記高圧塔で精留分離された低温の前記窒素ガスを、前記第２昇圧機で昇圧した後、前記保冷箱内の前記熱交換器に供給する昇圧後気体導出路と、を備えることを要旨とする。
前記低圧塔で精留分離され常温に戻された前記窒素ガスを昇圧させる第１昇圧機と、
第１気体を膨張させ、第１膨張後気体導出路を通じて前記保冷箱内に寒冷を供給するとともに前記第１昇圧機への動力を発生させる第１膨張タービンと、
前記低圧塔で精留分離された低温の前記窒素ガス或いは前記酸素ガス、又は前記高圧塔で精留分離された低温の前記窒素ガスを昇圧させる第２昇圧機と、
第２気体を膨張させ、前記保冷箱内に設けられた熱交換器又は前記高圧塔に通じる第２膨張後気体導出路に供給するとともに前記第２昇圧機への動力を発生させる第２膨張タービンと、
前記第１膨張タービン及び前記第２膨張タービンの一方または双方への前記第１及び第２気体の流路を切り替える切り替え弁と、
前記低圧塔で精留分離された低温の前記窒素ガス或いは前記酸素ガス、又は前記高圧塔で精留分離された低温の前記窒素ガスを、前記第２昇圧機で昇圧した後、前記保冷箱内の前記熱交換器に供給する昇圧後気体導出路と、を備えることを要旨とする。
第２昇圧機で昇圧された窒素ガス又は酸素ガスが、昇圧後気体導出路により保冷箱内の熱交換器に供給される。つまり、第２昇圧機で昇圧されることにより昇温した窒素ガス又は酸素ガスが保冷箱内の熱交換器に戻されることによって、第２膨張タービンにより発生された寒冷を差し引く構成となっている。
本発明において、上記空気分離装置は、前記低圧塔の頂部から窒素ガスを導出する低圧塔窒素導出路と、前記低圧塔の上部から前記第１気体を導出し、前記第１膨張タービンに供給する第１ガス導出路と、前記第１ガス導出路から分岐され、前記第２膨張タービンに前記第２気体を導出する第２ガス導出路と、を備え、前記低圧塔の頂部からの前記窒素ガスは、前記第２昇圧機で昇圧された後、前記昇圧後気体導出路により前記保冷箱内の前記熱交換器に送られ、常温に昇温された後前記第１昇圧機で更に昇圧された後、装置外部に供給されてもよい。
本発明において、上記空気分離装置は、前記低圧塔の頂部から窒素ガスを導出する低圧塔窒素導出路と、前記高圧塔から窒素ガスを導出する高圧塔窒素導出路と、前記低圧塔の上部から前記第１気体を導出し、前記第１膨張タービンに供給する第１ガス導出路と、前記第１ガス導出路から分岐され、前記第２膨張タービンに前記第２気体を導出する第２ガス導出路と、を備え、前記高圧塔窒素導出路からの前記窒素ガスは、前記第２昇圧機で昇圧された後、前記昇圧後気体導出路により前記保冷箱内の前記熱交換器に送られ、常温に昇温された後装置外部に供給されてもよい。
本発明において、上記空気分離装置は、前記低圧塔の頂部から窒素ガスを導出する低圧塔窒素導出路と、前記低圧塔の下部から酸素ガスを導出する低圧塔酸素導出路と、前記低圧塔の上部から前記第１気体を導出し、前記第１膨張タービンに供給する第１ガス導出路と、前記第１ガス導出路から分岐され、前記第２膨張タービンに前記第２気体を導出する第２ガス導出路と、を備え、前記低圧塔酸素導出路からの前記酸素ガスは、前記第２昇圧機で昇圧された後、前記昇圧後気体導出路により前記保冷箱内の前記熱交換に送られ、常温に昇温された後装置外部に供給されてもよい。
本発明において、上記空気分離装置は、前記低圧塔の頂部から窒素ガスを導出する低圧塔窒素導出路と、前記原料空気を圧縮する原料空気圧縮機と、圧縮された前記原料空気を更に圧縮する昇圧圧縮機と、前記第１気体として前記昇圧圧縮機で圧縮された圧縮空気を導出し、前記第１膨張タービンに供給する第１圧縮空気導出路と、前記第１圧縮空気導出路から分岐され、前記第２気体として前記圧縮空気を前記第２膨張タービンに導出する第２圧縮空気導出路と、を備え、前記低圧塔窒素導出路からの前記窒素ガスは、前記第２昇圧機で昇圧された後、前記昇圧後気体導出路により前記保冷箱内の前記熱交換器に送られ、常温に昇温された後前記第１昇圧機で更に昇圧された後、装置外部に供給されてもよい。
本発明において、上記空気分離装置は、前記高圧塔から窒素ガスを導出する高圧塔窒素導出路と、前記原料空気を圧縮する原料空気圧縮機と、圧縮された前記原料空気を更に圧縮する昇圧圧縮機と、前記第１気体として前記昇圧圧縮機で圧縮された圧縮空気を導出し、前記第１膨張タービンに供給する第１圧縮空気導出路と、前記第１圧縮空気導出路から分岐され、前記第２気体として前記圧縮空気を前記第２膨張タービンに導出する第２圧縮空気導出路と、を備え、前記高圧塔窒素導出路からの前記窒素ガスは、前記第２昇圧機で昇圧された後、前記昇圧後気体導出路により前記保冷箱内の熱交換器に送られ、常温に昇温された後装置外部に供給されてもよい。
本発明において、前記第１ガス導出路は前記低圧塔内から前記第１気体として廃窒素ガスを導出し、前記第２ガス導出路は前記低圧塔内から前記第２気体として廃窒素ガスを導出してもよい。
本発明に係る空気分離装置によれば、第２膨張タービンで膨張された第２気体は、寒冷発生には寄与することなく、第２昇圧機への動力を発生させ、窒素ガス又は酸素ガスの圧力を高めることのみに寄与するようになっている。したがって、保冷箱内に必要とされる寒冷と昇圧機に必要な動力とが一致しない場合、例えば第１及び第２昇圧機に必要とされる動力が大きい場合で必要寒冷量が少ない場合には、第１気体が第１膨張タービンに供給され、第２気体が第２膨張タービンに供給されるように、切り替え弁により気体流路を制御することによって、余剰寒冷を発生させることなく必要な寒冷を得ることができると共に、２つの昇圧機へ動力を提供することができる。よって、製品ガスの昇圧に要する動力を低減しつつ、要求されるガス圧に応じた製品ガスを得ることができる。
以下、本発明の実施形態に係る空気分離装置について図面を参照しつつ説明する。
１．第１実施形態
図１は本発明の第１実施形態に係る空気分離装置１の全体構成を示すブロック図である。
図１は本発明の第１実施形態に係る空気分離装置１の全体構成を示すブロック図である。
図１に示すように、本実施形態に係る空気分離装置１は、空気ろ過器２、原料空気圧縮機３、前処理冷却設備５、モレキュラシーブ（ＭＳ）吸着設備６、保冷箱７、この保冷箱７の外に各々設けられた第１膨張タービン８、第１昇圧機９、第２膨張タービン１０、第２昇圧機１１、及び窒素圧縮機１２並びに酸素圧縮機１３を主として備えている。
第１昇圧機９は第１膨張タービン８に接続されており、この第１膨張タービン８から動力（運動エネルギー）を受けることができるようになっており、第２昇圧機１１は第２膨張タービン１０に接続されており、この第２膨張タービン１０から動力を受けることができるようになっている。
前処理冷却設備５は、水洗冷却塔５ａ、蒸発冷却塔５ｂ、及び水ポンプ５ｃ、及び冷水ポンプ５ｄで構成される。ＭＳ吸着設備６は、主に前処理用吸着塔６ａ，６ｂ、再生ヒータ６ｃ、及びサイレンサー６ｄで構成される。
保冷箱７内には、熱交換器としての主熱交換器１４、下塔である高圧塔１５、上塔である低圧塔１６、及びサブクーラー１７等が主に設けられている。高圧塔１５及び低圧塔１６は上下に連設されている。
高圧塔１５は供給された原料空気を酸素リッチな液体空気と窒素ガスとに精製分離するものであり、運転圧力は約０．８ＭＰａ以上である。低圧塔１６は供給される上記酸素リッチな液体空気及び液体窒素から酸素ガス及び窒素ガスを精留分離するものであり、運転圧力は約０．１４ＭＰａである。
高圧塔１５の頂部における窒素ガスを液化し、低圧塔１６の底部における液体酸素を気化させるために、低圧塔１６内の底部には主凝縮器１６ａが配設されており、その熱交換に必要な窒素ガスと液体酸素との温度差を確保するために、高圧塔１５及び低圧塔１６の各運転圧力を上記のように設定する必要がある。
ＭＳ吸着設備６は、主熱交換器１４を通る原料空気導入通路１８により高圧塔１５の底部に接続されている。
高圧塔１５の底部は、サブクーラー１７を通る液体空気移送通路１９により低圧塔１６の中間部に接続されている。液体空気移送通路１９の下流側にはバルブ２０が設けられている。一方、高圧塔１５の上部は、サブクーラー１７を通る窒素移送通路２１により低圧塔１６の上部に接続されている。窒素移送通路２１の下流側にもバルブ２２が設けられている。
低圧塔１６の頂部は、低圧塔窒素導出路２３により第２昇圧機１１の入口に接続されている。第２昇圧機１１の出口は、昇圧後気体導出路２４により第１昇圧機９の入口に接続されている。第１昇圧機９の出口は、導出路２５により窒素圧縮機１２に接続されている。
低圧塔１６において低圧塔窒素導出路２３が接続されている位置よりも下方の位置に、この低圧塔１６から第１気体として廃窒素ガスを導出するための第１ガス導出路２６の一方端が接続されている。この第１ガス導出路２６はサブクーラー１７及び主熱交換器１４を通って、その他方端は第１膨張タービン８の入口に接続されている。第１膨張タービン８の出口は、保冷箱７内の主熱交換器１４を通る第１膨張後気体導出路２７によりＭＳ吸着設備６に接続されている。
ここで、第１ガス導出路２６の、主熱交換器１４よりも下流側の箇所において、第２気体として廃窒素ガスを第２膨張タービン１０の入口に供給するための第２ガス導出路２８が分岐されている。この分岐点には、上記第１気体及び第２気体の流路を切り替え、又は双方に送る切り替え弁２９が介挿されている。
第２膨張タービン１０の出口は、保冷箱７内に通じる第２膨張後気体導出路３０により上記の第１膨張後気体導出路２７に接続されている。
なお、低圧塔１６には、主熱交換器１４を通り、低圧塔１６内で精留分離された酸素ガスを酸素圧縮機１３に送り出す酸素導出路３１が接続されている。酸素圧縮機１３で必要圧力に圧縮された酸素ガスは、酸素導出路３１により装置外部に供給される。
また、高圧塔１５には、主熱交換器１４を通り、高圧塔１５内で精留分離された窒素ガスを製品窒素（中圧窒素）として装置外部に供給する窒素導出路３２が接続されている。
次いで、本発明に係る空気分離装置１の動作を説明する。
空気分離装置１に導入された原料空気は、まず空気ろ過器２でろ過された後、原料空気圧縮機３で高圧精留に必要な圧力（約０．８ＭＰａ以上）に昇圧圧縮される。圧縮により昇温した原料空気は、前処理冷却設備５で冷却された後、ＭＳ吸着設備６に送られ、原料空気中の水分や二酸化炭素等の不純成分が除去された後、保冷箱７内に供給されるようになっている。
保冷箱７内に導入された原料空気は、原料空気導入通路１８を介して主熱交換器１４で冷却された後、高圧塔１５内の底部に導入される。導入された原料空気は、高圧塔１５内を上昇中に下降液である液体窒素と向流接触を行い、蒸留により低沸点成分が増加することで、窒素ガスと酸素リッチな液体空気とに精留分離される。
高圧塔１５内で精留分離された窒素ガス及び酸素リッチな液体空気は、それぞれ窒素移送通路２１及び液体空気移送通路１９により低圧塔１６内に導入され、導入された窒素ガスと酸素リッチな液体空気との向流接触が起こり、蒸留の結果、低圧塔１６内で高純度窒素ガスと液体酸素とに精留分離される。
低圧塔１６の頂部からは、低圧塔窒素導出路２３により高純度で低温（約−１９０℃〜−１５０℃）の窒素ガス（製品窒素）が導出される。この窒素ガスは、低温の状態で第２昇圧機１１により昇圧された後、昇圧後気体導出路２４により第１昇圧機９に供給される。なお、第２昇圧機１１は窒素ガスを低温の状態で昇圧することから、常温昇圧を行う第１昇圧機９に比べ、約３０％の動力で同様の圧縮比を達成することができる。
第１昇圧機９で昇圧され常温に戻された窒素ガスは、導出路２５により窒素圧縮機１２で必要圧力に圧縮され装置外部に供給される。
一方、第１ガス導出路２６により低圧塔１６内から導出された廃窒素ガスは、サブクーラー１７を通って主熱交換器１４で昇温された後、この第１ガス導出路２６により第１膨張タービン８に供給されると共に、第２ガス導出路２８により第２膨張タービン１０に供給される。
第１膨張タービン８では、供給された廃窒素ガスが膨張されて膨張後気体が生成される。この膨張後気体は、主熱交換器１４による熱交換用気体として第１膨張後気体導出路２７により主熱交換器１４に供給され、装置の運転に必要な寒冷の発生に寄与するようになっている。なお、主熱交換器１４で熱交換された廃窒素ガスはＭＳ吸着設備６の再生や前処理冷却設備５の冷却源として使われる。
また、第２膨張タービン１０でも、供給された廃窒素ガスが膨張されて膨張後気体が生成される。この膨張後気体は、第２膨張後気体導出路３０を介して第１膨張後気体導出路２７に合流する。
本実施形態の技術的特徴として、第２昇圧機１１で昇圧された窒素ガスが、保冷箱７内に通じる昇圧後気体導出路２４によって導出される。つまり、第２昇圧機１１で昇圧されることにより昇温した窒素ガスが保冷箱７内の主熱交換器１４に戻されることによって、第２膨張タービン１０により発生された寒冷を差し引く構成となっている。このような構成により、第２膨張タービン１０で生成された膨張後気体は、寒冷発生には寄与することなく、第２昇圧機１１への動力を発生させることに寄与するようになっている。
ところで、上でも述べたように、保冷箱７に必要とされる寒冷は空気分離装置１の運転状況によって大きく異なることから、昇圧機９，１１に必要とされる動力（動力に変換される熱エネルギー）と上記寒冷（寒冷の発生に利用される熱エネルギー）とが一致しない場合が多い。
そこで、本発明では、昇圧機９，１１に必要とされる動力が小さい場合、窒素ガスが第１膨張タービン８のみに供給されるように、切り替え弁２９により窒素ガスの流路が切り替えられる。
また、昇圧機９，１１に必要とされる動力が大きい場合には、窒素ガスが第１膨張タービン８及び第２膨張タービン１０に供給されるように切り替え弁２９で窒素ガスの流路を制御できるようになっている。これにより、余剰寒冷を発生させることなく、２つの昇圧機９，１１へ動力を提供することができるので、窒素ガスをこの２つの昇圧機９，１１によって二重に昇圧できる。したがって、要求されるガス圧に応じた窒素ガスを容易に得ることができると共に、窒素圧縮機１２の吸い込み圧を高めることが出来るので窒素圧縮機１２における圧縮比を低減し、必要電力を低減すると同時に、圧縮機の大きさを低減することで、設備費用も低減できる。
２．第２実施形態
図２は本発明の第２実施形態に係る空気分離装置１ａの全体構成を示すブロック図である。なお以下の図２〜図５において、上記図１と同じ符号の構成部については同じ符号を付しており、これらの説明を省略する。また、図２〜図５では、空気ろ過器２、原料空気圧縮機３、前処理冷却設備５、及びＭＳ吸着設備６を簡略化して図示している。
図２は本発明の第２実施形態に係る空気分離装置１ａの全体構成を示すブロック図である。なお以下の図２〜図５において、上記図１と同じ符号の構成部については同じ符号を付しており、これらの説明を省略する。また、図２〜図５では、空気ろ過器２、原料空気圧縮機３、前処理冷却設備５、及びＭＳ吸着設備６を簡略化して図示している。
本実施形態に係る空気分離装置１ａの構成が第１実施形態に係る空気分離装置１の構成と異なるところは、以下の点である。
図２に示すように、空気分離装置１ａにおいては、低圧塔１６の頂部に一方端が接続された低圧塔窒素導出路３３がサブクーラー１７及び主熱交換器１４を通って、その他方端が第１昇圧機９の入口に接続されている。
また、高圧塔１５に一方端が接続された窒素導出路３４が設けられ、その他方端が第２昇圧機１１の入口に接続されている。
さらに、第２昇圧機１１の出口に一方端が接続された昇圧後気体導出路３５が設けられ、この昇圧後気体導出路３５は、主熱交換器１４を通り、昇圧後の窒素ガスを製品窒素として装置外部に供給する。
本実施形態において、第２昇圧機１１に提供するための動力を発生させるために、第２膨張タービン１０に供給される気体が低圧塔１６内の廃窒素ガスであることは、第１実施形態と同じである。
上記のような構成により、本実施形態では、高圧塔１５内で精留分離された窒素ガスを第２昇圧機１１で昇圧した後、昇圧後気体導出路３５により保冷箱７内に戻すようになっている。これにより、第２膨張タービン１０により発生された寒冷を差し引く構成となっている。したがって、本実施形態でも、第２膨張タービン１０で生成された膨張後気体は、寒冷発生には寄与することなく、第２昇圧機１１への動力を発生させることに寄与するようになっている。第１膨張タービン８で膨張された廃窒素ガスが、保冷箱７のための寒冷発生と第１昇圧機９への動力提供に寄与していることは第１実施形態と同じである。
なお、第２実施形態に係る空気分離装置１ａでは、高圧塔１５内で精留分離される窒素ガスを取り出せば、窒素増加相当分、空気分離装置１ａに導入すべき原料空気量を増加する必要があるので、設備の大型化と設備コストの上昇が生じる。
３．第３実施形態
図３は本発明の第３実施形態に係る空気分離装置１ｂの全体構成を示すブロック図である。
図３は本発明の第３実施形態に係る空気分離装置１ｂの全体構成を示すブロック図である。
本実施形態に係る空気分離装置１ｂの構成が第１実施形態に係る空気分離装置１の構成と異なるところは、以下の点である。
図３に示すように、空気分離装置１ｂにおいては、低圧塔１６の頂部に一方端が接続された低圧塔窒素導出路３３がサブクーラー１７及び主熱交換器１４を通って、その他方端が第１昇圧機９の入口に接続されている。この点は、第２実施形態と同じである。
また、低圧塔１６内で精留分離された酸素ガスを第２昇圧機１１に送り出す酸素導出路３６が設けられている。
さらに、第２昇圧機１１の出口に一方端が接続された昇圧後気体導出路３７が設けられている。この昇圧後気体導出路３７は主熱交換器１４を通り、その他方端は酸素圧縮機１３に接続されている。
本実施形態でも、第２昇圧機１１に提供するための動力を発生させるために、第２膨張タービン１０に供給される気体が低圧塔１６内の廃窒素ガスであることは、第１及び第２実施形態と同じである。
本実施形態において、低圧塔１６内で精留分離された酸素ガスを第２昇圧機１１で昇圧した後、昇圧後気体導出路３７により保冷箱７内に戻すようになっている。これにより、第２膨張タービン１０により発生された寒冷を差し引く構成となっている。したがって、本実施形態でも、第２膨張タービン１０で生成された膨張後気体は、寒冷発生には寄与することなく、第２昇圧機１１への動力を発生させることに寄与するようになっている。なお、第１膨張タービン８で膨張された廃窒素ガスが、保冷箱７のための寒冷発生と第１昇圧機９への動力提供に寄与していることは第１及び第２実施形態と同じである。
４．第４実施形態
図４は本発明の第４実施形態に係る空気分離装置１ｃの全体構成を示すブロック図である。
図４は本発明の第４実施形態に係る空気分離装置１ｃの全体構成を示すブロック図である。
本実施形態に係る空気分離装置１ｃの構成が第１実施形態に係る空気分離装置１の構成と異なるところは、以下の点である。
図４に示すように、空気分離装置１ｃでは、第１圧縮空気導出路３９が設けられている。この第１圧縮空気導出路３９の一方端は、原料空気導入通路１８の、主熱交換器１４よりも上流側の分岐点に接続されており、その他方端は主熱交換器１４を通り切り替え弁２９を介して第１膨張タービン８の入口に接続されている。また、第１膨張後気体導出路４０が設けられ、この一方端は第１膨張タービン８の出口に接続され、その他方端は原料空気導入通路１８の、主熱交換器１４よりも下流側の部分に合流するように接続されている。第１圧縮空気導出路３９には昇圧圧縮機３８が介挿されている。
このような構成において、原料空気は、原料空気圧縮機３で圧縮され、昇圧圧縮機３８で更に圧縮された後、主熱交換器１４で冷却され、第１圧縮空気導出路３９により第１膨張タービン８に供給されると共に、第２圧縮空気導出路としての第２ガス導出路２８により第２膨張タービン１０に供給される。第１膨張タービン８で生成された膨張後気体は第１膨張後気体導出路４０を通じて原料空気導入通路１８内の原料空気と混合され、第２膨張タービン１０で生成された膨張後気体は、第２膨張後気体導出路３０及び第１膨張後気体導出路４０を通じて原料空気導入通路１８内の原料空気と混合されるようになっている。
また、保冷箱７内に気液分離器４２が設けられている。上記の昇圧圧縮機３８の一方の出口と上記の気液分離器４２とを接続し、主熱交換器１４を通る管路４１が設けられている。さらに、気液分離器４２の頂部と高圧塔１５とを接続する管路４３、及び気液分離器４２の底部と高圧塔１５とを接続する管路４４が設けられている。このような構成において、原料空気は、昇圧圧縮機３８で更に圧縮された後、主熱交換器１４で冷却され、気液分離器４２で気相と液相分離されて高圧塔１５に導入される。
さらに、主熱交換器１４を通る管路４５が設けられ、この管路４５の一方端は低圧塔１６の底部に接続されており、その他方端は装置外部に導かれている。管路４５には液酸ポンプ４６が介挿されている。この液酸ポンプ４６により、低圧塔１６内の液体酸素が昇圧された後、主熱交換器１４で昇温されて製品酸素ガス（高圧酸素）として装置外部に供給されるようになっている。
本実施形態では、上述した第１〜第３実施形態とは異なって、第２昇圧機１１に提供するための動力を発生させるために、第２膨張タービン１０に供給される気体を、昇圧圧縮機３８で更に圧縮された圧縮空気としている。
本実施形態において、低圧塔１６内で精留分離された窒素ガスを第２昇圧機１１で昇圧した後、昇圧後気体導出路２４により保冷箱７内に戻すようになっている。これにより、第２膨張タービン１０により発生された寒冷を差し引く構成となっている。したがって、本実施形態でも、第２膨張タービン１０で生成された膨張後気体は、寒冷発生には寄与することなく、第２昇圧機１１への動力を発生させることに寄与するようになっている。なお、第１膨張タービン８で膨張された圧縮空気は、保冷箱７のための寒冷発生と第１昇圧機９への動力提供に寄与する構成となっている。
５．第５実施形態
図５は本発明の第５実施形態に係る空気分離装置１ｄの全体構成を示すブロック図である。
図５は本発明の第５実施形態に係る空気分離装置１ｄの全体構成を示すブロック図である。
本実施形態に係る空気分離装置１ｄの構成が第４実施形態に係る空気分離装置１ｃの構成と異なるところは、以下の点である。
図５に示すように、空気分離装置１ｄでは、低圧塔１６の頂部に一方端が接続された低圧塔窒素導出路３３がサブクーラー１７及び主熱交換器１４を通って、その他方端が第１昇圧機９の入口に接続されている。
また、高圧塔１５に一方端が接続された窒素導出路３４が設けられ、その他方端が第２昇圧機１１の入口に接続されている。
さらに、第２昇圧機１１の出口に一方端が接続された昇圧後気体導出路３５が設けられ、この昇圧後気体導出路３５は、主熱交換器１４を通り、昇圧後の窒素ガスを製品窒素として装置外部に供給するようになっている。
本実施形態でも、第４実施形態と同じように、第２昇圧機１１に提供するための動力を発生させるために、第２膨張タービン１０に供給される気体を、原料空気圧縮機３で圧縮され、昇圧圧縮機３８で更に圧縮された圧縮空気としている。
本実施形態において、高圧塔１５内で精留分離された窒素ガスを第２昇圧機１１で昇圧した後、昇圧後気体導出路２４により保冷箱７内に戻すようになっている。これにより、第２膨張タービン１０により発生された寒冷を差し引く構成となっている。したがって、本実施形態でも、第２膨張タービン１０で生成された膨張後気体は、寒冷発生には寄与することなく、第２昇圧機１１への動力を発生させることに寄与するようになっている。なお、第４実施形態と同じように、第１膨張タービン８で膨張された圧縮空気は、保冷箱７のための寒冷発生と第１昇圧機９への動力提供に寄与する構成となっている。
以上が本発明を実施するための形態であるが、本発明はもとより上記各実施形態によって制限を受けるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ 空気分離装置
３ 原料空気圧縮機
７ 保冷箱
８ 第１膨張タービン
９ 第１昇圧機
１０ 第２膨張タービン
１１ 第２昇圧機
１２ 窒素圧縮機
１３ 酸素圧縮機
１４ 主熱交換器
１５ 高圧塔
１６ 低圧塔
１７ サブクーラー
１８ 原料空気導入通路
１９ 液体空気移送通路
２１ 窒素移送通路
２３，３３ 低圧塔窒素導出路
２４，３５，３７ 昇圧後気体導出路
２６ 第１ガス導出路
２７，４０ 第１膨張後気体導出路
２８ 第２ガス導出路（第２圧縮空気導出路）
２９ 切り替え弁
３０ 第２膨張後気体導出路
３８ 昇圧圧縮機
３９ 第１圧縮空気導出路
３ 原料空気圧縮機
７ 保冷箱
８ 第１膨張タービン
９ 第１昇圧機
１０ 第２膨張タービン
１１ 第２昇圧機
１２ 窒素圧縮機
１３ 酸素圧縮機
１４ 主熱交換器
１５ 高圧塔
１６ 低圧塔
１７ サブクーラー
１８ 原料空気導入通路
１９ 液体空気移送通路
２１ 窒素移送通路
２３，３３ 低圧塔窒素導出路
２４，３５，３７ 昇圧後気体導出路
２６ 第１ガス導出路
２７，４０ 第１膨張後気体導出路
２８ 第２ガス導出路（第２圧縮空気導出路）
２９ 切り替え弁
３０ 第２膨張後気体導出路
３８ 昇圧圧縮機
３９ 第１圧縮空気導出路
Claims (7)
- 原料空気から窒素ガスを精留分離する高圧塔と、前記高圧塔から供給される酸素リッチな液体空気と液体窒素を酸素ガスと窒素ガスとに精留分離する低圧塔とが保冷箱に設けられている空気分離装置であって、
前記低圧塔で精留分離され常温に戻された前記窒素ガスを昇圧させる第１昇圧機と、
第１気体を膨張させ、第１膨張後気体導出路を通じて前記保冷箱内に寒冷を供給するとともに前記第１昇圧機への動力を発生させる第１膨張タービンと、
前記低圧塔で精留分離された低温の前記窒素ガス或いは前記酸素ガス、又は前記高圧塔で精留分離された低温の前記窒素ガスを昇圧させる第２昇圧機と、
第２気体を膨張させ、前記保冷箱内に設けられた熱交換器又は前記高圧塔に通じる第２膨張後気体導出路に供給するとともに前記第２昇圧機への動力を発生させる第２膨張タービンと、
前記第１膨張タービン及び前記第２膨張タービンの一方または双方への前記第１及び第２気体の流路を切り替える切り替え弁と、
前記低圧塔で精留分離された低温の前記窒素ガス或いは前記酸素ガス、又は前記高圧塔で精留分離された低温の前記窒素ガスを、前記第２昇圧機で昇圧した後、前記保冷箱内の前記熱交換器に供給する昇圧後気体導出路と、を備えることを特徴とする空気分離装置。 - 前記低圧塔の頂部から窒素ガスを導出する低圧塔窒素導出路と、
前記低圧塔の上部から前記第１気体を導出し、前記第１膨張タービンに供給する第１ガス導出路と、
前記第１ガス導出路から分岐され、前記第２膨張タービンに前記第２気体を導出する第２ガス導出路と、を備え、
前記低圧塔の頂部からの前記窒素ガスは、前記第２昇圧機で昇圧された後、前記昇圧後気体導出路により前記保冷箱内の前記熱交換器に送られ、常温に昇温された後前記第１昇圧機で更に昇圧された後、装置外部に供給される請求項１に記載の空気分離装置。 - 前記低圧塔の頂部から窒素ガスを導出する低圧塔窒素導出路と、
前記高圧塔から窒素ガスを導出する高圧塔窒素導出路と、
前記低圧塔の上部から前記第１気体を導出し、前記第１膨張タービンに供給する第１ガス導出路と、
前記第１ガス導出路から分岐され、前記第２膨張タービンに前記第２気体を導出する第２ガス導出路と、を備え、
前記高圧塔窒素導出路からの前記窒素ガスは、前記第２昇圧機で昇圧された後、前記昇圧後気体導出路により前記保冷箱内の前記熱交換器に送られ、常温に昇温された後装置外部に供給される請求項１に記載の空気分離装置。 - 前記低圧塔の頂部から窒素ガスを導出する低圧塔窒素導出路と、
前記低圧塔の下部から酸素ガスを導出する低圧塔酸素導出路と、
前記低圧塔の上部から前記第１気体を導出し、前記第１膨張タービンに供給する第１ガス導出路と、
前記第１ガス導出路から分岐され、前記第２膨張タービンに前記第２気体を導出する第２ガス導出路と、を備え、
前記低圧塔酸素導出路からの前記酸素ガスは、前記第２昇圧機で昇圧された後、前記昇圧後気体導出路により前記保冷箱内の前記熱交換に送られ、常温に昇温された後装置外部に供給される請求項１に記載の空気分離装置。 - 前記低圧塔の頂部から窒素ガスを導出する低圧塔窒素導出路と、
前記原料空気を圧縮する原料空気圧縮機と、圧縮された前記原料空気を更に圧縮する昇圧圧縮機と、
前記第１気体として前記昇圧圧縮機で圧縮された圧縮空気を導出し、前記第１膨張タービンに供給する第１圧縮空気導出路と、
前記第１圧縮空気導出路から分岐され、前記第２気体として前記圧縮空気を前記第２膨張タービンに導出する第２圧縮空気導出路と、を備え、
前記低圧塔窒素導出路からの前記窒素ガスは、前記第２昇圧機で昇圧された後、前記昇圧後気体導出路により前記保冷箱内の前記熱交換器に送られ、常温に昇温された後前記第１昇圧機で更に昇圧された後、装置外部に供給される請求項１に記載の空気分離装置。 - 前記高圧塔から窒素ガスを導出する高圧塔窒素導出路と、
前記原料空気を圧縮する原料空気圧縮機と、圧縮された前記原料空気を更に圧縮する昇圧圧縮機と、
前記第１気体として前記昇圧圧縮機で圧縮された圧縮空気を導出し、前記第１膨張タービンに供給する第１圧縮空気導出路と、
前記第１圧縮空気導出路から分岐され、前記第２気体として前記圧縮空気を前記第２膨張タービンに導出する第２圧縮空気導出路と、を備え、
前記高圧塔窒素導出路からの前記窒素ガスは、前記第２昇圧機で昇圧された後、前記昇圧後気体導出路により前記保冷箱内の熱交換器に送られ、常温に昇温された後装置外部に供給される請求項１に記載の空気分離装置。 - 前記第１ガス導出路は前記低圧塔内から前記第１気体として廃窒素ガスを導出し、前記第２ガス導出路は前記低圧塔内から前記第２気体として廃窒素ガスを導出する請求項２〜４のいずれか１項に記載の空気分離装置。
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