空気液化分離方法及び装置
【課題】装置価格の上昇を抑えて製品収率を改善できる内部昇圧プロセスの空気液化分離方法及び装置を提供する。
【解決手段】昇圧して精製した中圧原料空気を第１中圧原料空気、第２中圧原料空気及び第３中圧原料空気に３分流し、第１中圧原料空気を主熱交換器で冷却して中圧塔に導入する工程と、第２中圧原料空気を昇圧して高圧原料空気とし、主熱交換器で冷却した後に減圧して中圧塔に導入する工程と、第３中圧原料空気を昇圧した後に主熱交換器で中間温度に冷却してから膨張タービンで中圧液化酸素の沸点より高い温度に膨張させて低圧原料空気とし、主熱交換器で冷却してから低圧塔に導入する工程と、低圧塔から抜き出した液化酸素を液化酸素ポンプで昇圧して中圧液化酸素とし、主熱交換器で気化させて中圧製品酸素ガスとする工程と、低圧塔から抜き出したガスをアルゴン塔で蒸留して製品アルゴンとする工程とを含む。
【解決手段】昇圧して精製した中圧原料空気を第１中圧原料空気、第２中圧原料空気及び第３中圧原料空気に３分流し、第１中圧原料空気を主熱交換器で冷却して中圧塔に導入する工程と、第２中圧原料空気を昇圧して高圧原料空気とし、主熱交換器で冷却した後に減圧して中圧塔に導入する工程と、第３中圧原料空気を昇圧した後に主熱交換器で中間温度に冷却してから膨張タービンで中圧液化酸素の沸点より高い温度に膨張させて低圧原料空気とし、主熱交換器で冷却してから低圧塔に導入する工程と、低圧塔から抜き出した液化酸素を液化酸素ポンプで昇圧して中圧液化酸素とし、主熱交換器で気化させて中圧製品酸素ガスとする工程と、低圧塔から抜き出したガスをアルゴン塔で蒸留して製品アルゴンとする工程とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気液化分離方法及び装置に関し、詳しくは、圧縮、精製、冷却した原料空気を中圧塔、低圧塔及びアルゴン塔で深冷液化分離することによって少なくとも製品アルゴンと中圧製品酸素ガスとを採取する空気液化分離方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原料空気を中圧塔及び低圧塔を有する複精留塔で深冷液化分離した酸素を中圧の製品酸素ガスとして採取するプロセスとして、前記低圧塔の底部に濃縮した液化酸素を抜き出して液化酸素ポンプで昇圧して所定圧力の中圧液化酸素とした後、主熱交換器で気化させて中圧製品酸素ガスとするプロセス、いわゆる内部昇圧プロセスが広く知られている。
【０００３】
このような内部昇圧プロセスにおいても、製品収率を改善するため、従来から、低圧塔内に第２凝縮器を設けたり（例えば、特許文献１参照。）、蒸留塔として高圧塔、中間圧塔、低圧塔の３塔を使用したり（例えば、特許文献２参照。）、その他の各種の提案がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２８６５２７４号公報
【特許文献２】特開２０００−３４６５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の内部昇圧プロセスにおける製品収率改善策は、いずれもプロセスが複雑になり、装置価格が上昇するという問題があった。また、製品収率の改善も十分ではなく、更なる改善が求められている。
【０００６】
そこで本発明は、装置価格の上昇を抑えながら製品収率の改善を図ることができる内部昇圧プロセスを採用した空気液化分離方法及び装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の空気液化分離方法の第１の構成は、原料空気圧縮機で圧縮し、精製器で精製し、主熱交換器で冷却した原料空気を中圧塔、低圧塔及びアルゴン塔で深冷液化分離することによって少なくとも製品アルゴンと中圧製品酸素ガスとを採取する空気液化分離方法において、前記原料空気を前記原料空気圧縮機で前記中圧塔に導入可能な中圧に昇圧して前記精製器で精製した中圧原料空気を第１中圧原料空気、第２中圧原料空気及び第３中圧原料空気に３分流する工程と、前記第１中圧原料空気を前記主熱交換器で冷却して前記中圧塔の下部に導入する工程と、前記第２中圧原料空気を更に昇圧して高圧原料空気とする工程と、前記高圧原料空気を前記主熱交換器で冷却した後に前記中圧塔に導入可能な中圧に減圧して前記中圧塔の下部に導入する工程と、前記第３中圧原料空気を更に昇圧した後に前記主熱交換器で中間温度に冷却してから膨張タービンで前記中圧製品酸素ガスの気化前の中圧液化酸素の沸点よりも高い温度でかつ前記低圧塔に導入可能な低圧に膨張させて低圧原料空気とする工程と、前記低圧原料空気を前記主熱交換器で冷却して前記低圧塔の中段上部に導入する工程と、前記中圧塔及び低圧塔での蒸留操作によって低圧塔の底部に濃縮した液化酸素を抜き出して液化酸素ポンプで昇圧して前記中圧液化酸素とする工程と、前記中圧液化酸素を前記主熱交換器で気化させて前記中圧製品酸素ガスとする工程と、前記低圧塔の中段下部から抜き出したガスを前記アルゴン塔で蒸留して前記製品アルゴンとする工程とを含むことを特徴としている。
【０００８】
本発明の空気液化分離方法の第２の構成は、原料空気圧縮機で圧縮し、精製器で精製し、主熱交換器で冷却した原料空気を中圧塔、低圧塔及びアルゴン塔で深冷液化分離することによって少なくとも製品アルゴンと中圧製品酸素ガスとを採取する空気液化分離方法において、前記原料空気を前記原料空気圧縮機で前記中圧塔に導入可能な中圧に昇圧して前記精製器で精製した中圧原料空気を第１中圧原料空気と第２中圧原料空気とに２分流する工程と、前記第１中圧原料空気を前記主熱交換器で冷却して前記中圧塔の下部に導入する工程と、前記主熱交換器で冷却される前記第１中圧原料空気の一部を中間温度で第３中圧原料空気として分流する工程と、前記第３中圧原料空気を膨張タービンで前記中圧製品酸素ガスの気化前の中圧液化酸素の沸点よりも高い温度でかつ前記低圧塔に導入可能な低圧に膨張させて低圧原料空気とする工程と、前記低圧原料空気を前記主熱交換器で冷却して前記低圧塔の中段上部に導入する工程と、前記第２中圧原料空気を更に昇圧して高圧原料空気とする工程と、前記高圧原料空気を前記主熱交換器で冷却した後に前記中圧塔に導入可能な中圧に減圧して前記中圧塔の下部に導入する工程と、前記中圧塔及び低圧塔での蒸留操作によって低圧塔の底部に濃縮した液化酸素を抜き出して液化酸素ポンプで昇圧して前記中圧液化酸素とする工程と、前記中圧液化酸素を前記主熱交換器で気化させて前記中圧製品酸素ガスとする工程と、前記低圧塔の中段下部から抜き出したガスを前記アルゴン塔で蒸留して前記製品アルゴンとする工程とを含むことを特徴としている。
【０００９】
本発明の空気液化分離装置の第１の構成は、原料空気圧縮機で圧縮し、精製器で精製し、主熱交換器で冷却した原料空気を中圧塔、低圧塔及びアルゴン塔で深冷液化分離することによって少なくとも製品アルゴンと中圧製品酸素ガスとを採取する空気液化分離装置において、前記原料空気圧縮機で前記中圧塔に導入可能な中圧に昇圧されて前記精製器で精製した中圧原料空気を第１中圧原料空気、第２中圧原料空気及び第３中圧原料空気に３分流する経路と、前記第１中圧原料空気を前記主熱交換器で冷却して前記中圧塔の下部に導入する経路と、前記第２中圧原料空気を更に昇圧して高圧原料空気とする第２中圧原料空気圧縮機と、前記高圧原料空気を前記主熱交換器で冷却した後に減圧弁で前記中圧塔に導入可能な中圧に減圧して前記中圧塔の下部に導入する経路と、前記第３中圧原料空気を更に昇圧した後に前記主熱交換器で中間温度に冷却してから前記中圧製品酸素ガスの気化前の中圧液化酸素の沸点よりも高い温度でかつ前記低圧塔に導入可能な低圧に膨張させて低圧原料空気とする膨張タービンと、前記低圧原料空気を前記主熱交換器で冷却して前記低圧塔の中段上部に導入する経路と、前記中圧塔及び低圧塔での蒸留操作によって低圧塔の底部に濃縮した液化酸素を抜き出して昇圧することにより前記中圧液化酸素とする液化酸素ポンプと、前記中圧液化酸素を前記主熱交換器で気化させて前記中圧製品酸素ガスとする経路と、前記低圧塔の中段下部から抜き出したガスを蒸留して前記製品アルゴンとする前記アルゴン塔とを備えていることを特徴としている。
【００１０】
本発明の空気液化分離装置の第２の構成は、原料空気圧縮機で圧縮し、精製器で精製し、主熱交換器で冷却した原料空気を中圧塔、低圧塔及びアルゴン塔で深冷液化分離することによって少なくとも製品アルゴンと中圧製品酸素ガスとを採取する空気液化分離装置において、前記原料空気圧縮機で前記中圧塔に導入可能な中圧に昇圧されて前記精製器で精製した中圧原料空気を第１中圧原料空気と第２中圧原料空気とに２分流する経路と、前記第１中圧原料空気を前記主熱交換器で冷却して前記中圧塔の下部に導入する経路と、前記主熱交換器で冷却される前記第１中圧原料空気の一部を中間温度で第３中圧原料空気として分流する経路と、前記第３中圧原料空気を前記中圧製品酸素ガスの気化前の中圧液化酸素の沸点よりも高い温度でかつ前記低圧塔に導入可能な低圧に膨張させて低圧原料空気とする膨張タービンと、前記低圧原料空気を前記主熱交換器で冷却して前記低圧塔の中段上部に導入する経路と、前記第２中圧原料空気を更に昇圧して高圧原料空気とする第２中圧原料空気圧縮機と、前記高圧原料空気を前記主熱交換器で冷却した後に減圧弁で前記中圧塔に導入可能な中圧に減圧して前記中圧塔の下部に導入する経路と、前記中圧塔及び低圧塔での蒸留操作によって低圧塔の底部に濃縮した液化酸素を抜き出して昇圧することにより前記中圧液化酸素とする液化酸素ポンプと、前記中圧液化酸素を前記主熱交換器で気化させて前記中圧製品酸素ガスとする経路と、前記低圧塔の中段下部から抜き出したガスを蒸留して前記製品アルゴンとする前記アルゴン塔とを備えていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の空気液化分離方法及び装置の第１の構成によれば、酸素収率及びアルゴン収率を高めることができる。また、本発明の空気液化分離方法及び装置の第２の構成によれば、第１の構成に比べてアルゴン収率は劣るものの消費電力を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の空気液化分離装置の第１形態例を示す系統図である。
【図２】内部昇圧プロセスを採用した従来の空気液化分離装置の一例を示す系統図である。
【図３】膨張タービン入口温度と膨張タービンの入口出口におけるエンタルピ差との関係を示す図である。
【図４】膨張タービン入口温度と製品アルゴン収率との関係を示す図である。
【図５】膨張タービンの断熱効率と膨張タービンの入口出口温度との関係を示す図である。
【図６】本発明の空気液化分離装置の第２形態例を示す系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
まず、図１に示す第１形態例に示す空気液化分離装置は、主要構成要素として、原料空気圧縮機１１，精製器１２，主熱交換器１３，中圧塔１４，低圧塔１５，主凝縮器１６，第１アルゴン塔（粗アルゴン塔）１７，第２アルゴン塔（脱酸塔、高純アルゴン塔）１８，アルゴン凝縮器１９，過冷器２０、液化酸素ポンプ２１、第２中圧原料空気圧縮機２２、減圧弁２３、第３中圧原料空気圧縮機２４及び膨張タービン２５を備えており、原料空気から製品アルゴン、中圧製品酸素ガス、中圧製品窒素ガス、低圧製品窒素ガスを採取するための内部昇圧プロセスを採用した構成となっている。
【００１４】
原料空気は、原料空気圧縮機１１で中圧塔１４に導入可能な中圧、すなわち、精製器１２や主熱交換器１３における圧力損失を考慮し、中圧塔１４の下部圧力より僅かに高い圧力に昇圧されて中圧原料空気となる。この中圧原料空気は、精製器１２で水分や二酸化炭素等の不純物が除去されて精製された後、第１中圧原料空気経路３１の第１中圧原料空気と、第２中圧原料空気経路３２の第２中圧原料空気と、第３中圧原料空気経路３３の第３中圧原料空気とに３分流される。
【００１５】
前記第１中圧原料空気は、前記主熱交換器１３で中圧塔１４や低圧塔１５からの戻りガスと熱交換することにより液化点付近まで冷却され、経路３４を通って中圧塔１４の下部に導入される。また、前記第２中圧原料空気は、熱交換器２２ａを介して第２中圧原料空気圧縮機２２で更に昇圧されて高圧原料空気となる。この高圧原料空気は、前記主熱交換器１３で前記戻りガスと熱交換することにより冷却され、経路３５の減圧弁２３で前記中圧塔１４に導入可能な中圧に減圧されて一部が液化した状態で中圧塔１４の下部に導入される。
【００１６】
前記第３中圧原料空気は、熱交換器２４ａを介して第３中圧原料空気圧縮機２４で更に昇圧された後、前記主熱交換器１３の上流側で中間温度に冷却された状態で経路３６に抜き出され、膨張タービン２５に導入される。この膨張タービン２５では、第３中圧原料空気を断熱膨張させて低圧原料空気とする際に、膨張タービン２５の出口温度、すなわち低圧原料空気の温度が前記中圧製品酸素ガスの気化前の中圧液化酸素の沸点よりも高い温度で、かつ、出口圧力、すなわち低圧原料空気の圧力が、低圧塔１５の中段上部の圧力より僅かに高く、低圧塔１５に導入可能な圧力になるように設定され、装置の運転に必要な寒冷を発生させている。この低圧原料空気は、経路３７を通って再び主熱交換器１３の下流側に導入され、前記戻りガスと熱交換することにより冷却されてから経路３８を経て低圧塔１５の中段上部に導入される。
【００１７】
中圧塔１４に導入された第１中圧原料空気及び第２中圧原料空気は、中圧塔１４での蒸留操作により、塔頂部の窒素富化流体（窒素ガス）と塔底部の酸素富化液化流体（酸素富化液化空気）とに分離される。塔頂部の窒素富化流体の一部は、経路３９に抜き出されて主熱交換器１３に導入され、前記各原料ガスと熱交換を行って常温付近まで昇温し、中圧製品窒素ガス採取経路４０から中圧製品窒素ガスとして採取される。窒素富化流体の残部は、前記主凝縮器１６で液化して液化窒素となり、その大部分が中圧塔１４の還流液として中圧塔１４の頂部に導入され、残部の液化窒素は、経路４１を通って過冷器２０で冷却され、減圧弁２６で前記低圧塔１５に導入可能な低圧に減圧された後、低圧塔１５の頂部に導入されて低圧塔１５の還流液となる。
【００１８】
また、中圧塔１４の塔底部の酸素富化液化流体は、経路４２に抜き出されて過冷器２０で冷却された後、一部が減圧弁２７で低圧塔１５に導入可能な圧力に減圧されて低圧塔１５の中段部に下降液として導入される。残部の酸素富化液化流体は、経路４３に分流して減圧弁２８で低圧塔１５に導入可能な圧力に減圧されてからアルゴン凝縮器１９に導入され、気化して酸素富化気化流体となり、経路４４から低圧塔１５の中段部に上昇ガスとして導入される。
【００１９】
低圧塔１５では、導入された各流体の蒸留操作が行われ、低圧塔１５の塔底部に酸素が濃縮されて液化酸素となり、低圧塔１５の塔頂部には窒素が濃縮されて高純度窒素ガスとなり、低圧塔１５の中段下部の流体中にはアルゴンが濃縮される。高純度窒素ガスは、低圧塔１５の塔頂部から経路４５に抜き出され、過冷器２０及び主熱交換器１３で熱交換を行うことにより常温付近まで昇温し、低圧製品窒素ガス採取経路４６から低圧製品窒素ガスとして採取される。また、低圧塔１５の塔上部からは、経路４７に廃ガスが抜き出され、過冷器２０及び主熱交換器１３での熱交換により昇温した後、前記精製器１２の再生ガスとして用いられる。
【００２０】
低圧塔１５の中段下部からは、アルゴンが濃縮したガス流体が経路４８に抜き出されて第１アルゴン塔１７の下部に上昇ガスとして導入され、第１アルゴン塔１７の頂部にアルゴンが更に濃縮される。第１アルゴン塔１７の頂部のガス流体は、経路４９を通って第２アルゴン塔１８の下部に上昇ガスとして導入され、第２アルゴン塔１８での蒸留操作によって第２アルゴン塔１８の頂部に高純度のアルゴンガスが分離する。このアルゴンガスは、前記アルゴン凝縮器１９で前記酸素富化液化流体と熱交換することにより液化して液化アルゴンとなる。この液化アルゴンの大部分は第２アルゴン塔１８の頂部に還流液として導入され、残部の液化アルゴンが、液化アルゴン採取経路５０から製品液化アルゴンとして採取される。また、第２アルゴン塔１８の底部から経路５１に抜き出された液流体は、ポンプ５２により第１アルゴン塔１７の頂部に送られて還流液となり、第１アルゴン塔１７の底部の液流体は、経路５３を通って低圧塔１５の中段下部に戻されて下降液となる。
【００２１】
前記低圧塔１５の塔底部の液化酸素は、一部が前記主凝縮器１６で前記窒素富化流体と熱交換を行うことにより気化して低圧塔１５の上昇ガスとなり、残部が経路５４に抜き出されて液化酸素ポンプ２１によってあらかじめ設定された圧力に昇圧されて中圧液化酸素となる。この中圧液化酸素は、主熱交換器１３に導入されて前記各原料ガスと熱交換を行うことにより気化して中圧酸素ガスになるとともに常温付近まで昇温し、中圧製品酸素ガス採取経路５５から中圧製品酸素ガスとして採取される。
【００２２】
本形態例に示すプロセスのシミュレーション結果を表１に示す。なお、各流体の流量は、原料空気の流量を１００としている。
【表１】
【００２３】
このように、製品アルゴン、中圧製品酸素ガス、中圧製品窒素ガス、低圧製品窒素ガスを採取する際に、第３中圧原料空気が膨張タービン２５で膨張して降温した低圧原料空気の膨張タービン出口温度を前記中圧液化酸素の沸点よりも高い温度に設定し、装置の運転に必要な寒冷を発生させるとともに、第３中圧原料空気が膨張した後の低圧原料空気を再び主熱交換器１３の下流側に導入することにより、中圧液化酸素を気化させるための温流体として低圧原料空気を有効に利用することができる。
【００２４】
従来は、例えば図２に示すように、膨張タービン２５で膨張した低圧原料空気を、膨張タービン２５の出口から経路５６を通してそのまま低圧塔１５に導入し、装置の運転に必要な寒冷を発生させるためにだけに膨張タービン２５を利用しており、中圧液化酸素の気化には利用していなかった。
【００２５】
なお、図２に示す空気液化分離装置は、膨張タービン２５の出口側の経路が異なるのみで、他の構成は図１の第１形態例に示した空気液化分離装置と同一としているので、図１と図２の同一の主な構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００２６】
また、図３に入口圧力と出口圧力とがそれぞれ同じ条件とした場合において、膨張タービン２５の入口温度と、膨張タービン２５の入口出口におけるエンタルピ差との関係の一例を示している。この図３から明らかなように、膨張タービン２５の入口温度が高いほど前記エンタルピ差が大きくなる。例えば、図２に示す従来のプロセスでは、膨張タービン２５で膨張した低圧原料空気を低圧塔１５に直接導入するので、図５に示すように、出口温度（低圧塔１５の温度、約９０Ｋ）の関係から入口温度が約１５０Ｋになり、このときのエンタルピ差は約１５７０Ｊ／ｇｍｏｌとなる。
【００２７】
一方、前記第１形態例では、膨張タービン２５で膨張した低圧原料空気を再度主熱交換器１３に導入し、約９０Ｋに冷却してから低圧塔１５に導入すればよいことから、中圧液化酸素の沸点よりも高い温度に設定する以外に出口温度の制約がほとんどなくなり、膨張タービン２５の断熱効率などの条件によって入口温度を設定することができる。例えば、膨張タービン２５の入口温度を１９６Ｋに設定した場合は、図３に示すように、エンタルピ差が約２１６０Ｊ／ｇｍｏｌとなり、図２に示した従来の空気分離装置と比較するとエンタルピ差が約４０％向上するので、膨張タービン２５の処理量を従来に比べて約４０％少なくしても、従来と同程度の寒冷を発生させることができる。これにより、低圧塔１５に導入する原料空気量が減少し、中圧塔１４に導入する原料空気量、特に第１中圧原料空気の量を増加させることができる。したがって、中圧塔１４での蒸留操作により分離される塔頂部の窒素富化流体の量を増加させることができ、経路３９に抜き出される中圧製品窒素ガス量が従来のプロセスと同程度の場合には、主凝縮器１６に温流体として導入される窒素富化流体の量が増加し、その熱交換量が増加する。その結果、低圧塔１５の底部における蒸発ガス量（焚き上げとも言う。）が増加するので、製品収率の改善、特に製品アルゴンの収率改善に大きく寄与することができる。
【００２８】
図４は、酸素ガスを１．６ＭＰａで採取するプロセスにおける膨張タービン２５の入口温度と製品アルゴンの収率との関係を示すもので、膨張タービン２５の入口温度を高くすることによって製品アルゴンの収率を改善できることがわかる。但し、膨張タービン２５の入口温度がある温度Ｔｃを超えると、製品アルゴン収率の改善はほとんど期待できなくなる。しかし、入口温度が温度Ｔｃを超える設定とすることにより、膨張タービン２５の入口出口におけるエンタルピ差の増大から膨張タービン２５の処理量を更に少なくできる。さらに、前記第３中圧原料空気圧縮機２４を膨張タービン２５の制動ブロワとすることにより、第３中圧原料空気圧縮機２４の消費動力を低減するができる。
【００２９】
一方、図５に示すように、膨張タービン２５の入口温度が高い程、あるいは膨張タービン２５の断熱効率ηが低い程、膨張タービン出口温度は高くなる。例えば、膨張タービン２５の入口温度をそれぞれ前述の１９６Ｋ、１５０Ｋとし、膨張タービンの断熱効率を８５％に設定すると、膨張タービン出口温度は、それぞれ約１２５Ｋ、９０Ｋとなる。この膨張タービンを出た約１２５Ｋの原料空気を低圧塔１５に直接導入すると低圧塔の蒸留効率が低下する。
【００３０】
つまり、一例であるが、膨張タービン２５からの原料空気が導入される低圧塔１５の導入部分を下降する還流液流体温度は約９０Ｋであり、そこに、約１２５Ｋの原料空気が直接導入されると、その一部が気化する。このため、原料空気が導入された部分の気液比（＝下降還流液流量／上昇ガス流量）が低下し、低圧塔内の蒸留分離効率が低下する。
【００３１】
しかし、本形態例に示すように、膨張タービン２５を出た原料空気を主熱交換器１３に再度導入し、冷却した後に低圧塔１５に導入することにより、膨張タービン２５の処理流量の低減と製品アルゴン収率の改善を図りつつ、低圧塔１５の蒸留分離効率の低下を防ぐことができる。従来のプロセスでは、膨張タービン２５の入口温度、すなわち出口温度が比較的低いので、膨張タービンからの原料空気を低圧塔に直接導入しても、プロセス上大きな問題はなかった。
【００３２】
一般的に、膨張タービン２５に導入する原料空気をより高い温度で導入した場合、得られる寒冷が多いことは、公知技術である。しかし、本形態例に示すように、このような膨張タービンの性質を、製品として少なくとも酸素及びアルゴンを採取し、しかも、製品酸素の少なくとも一部を内部昇圧した後に採取する空気分離装置に採用することで、膨張タービンの性質を最大限に利用できる。特に、液化酸素を内部昇圧して中圧酸素を採取するプロセスでは、主熱交換器１３内で、液化酸素を蒸発させるための潜熱及び顕熱を供給する必要があり、その熱の一部として、膨張タービン２５からの比較的温度の高い原料空気を有効に利用できる。
【００３３】
図６は、本発明の空気液化分離装置の第２形態例を示す系統図である。なお、前記第１形態例に示した空気液化分離装置の構成要素と同一の主要な構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００３４】
原料空気は、前記同様に、原料空気圧縮機１１で中圧塔１４に導入可能な圧力に昇圧されて中圧原料空気となり、精製器１２で精製された後、経路６１の第１中圧原料空気と、経路６２の第２中圧原料空気とに２分流される。この第２中圧原料空気は、熱交換器２２ａを介して直列に配置された２台の第２中圧原料空気圧縮機２２Ｌ、２２Ｈで順次昇圧されて高圧原料空気となり、主熱交換器１３で冷却された後、経路３５の減圧弁２３で減圧されて中圧塔１４の下部に導入される。なお、第２中圧原料空気圧縮機は、１台の圧縮機で構成してもよい。
【００３５】
前記第１中圧原料空気の大部分は、前記主熱交換器１３で冷却されて経路３４から中圧塔１４の下部に導入される。第１中圧原料空気の一部は、主熱交換器１３の中間温度で経路６３に分流されて第３中圧原料空気となり、膨張タービン２５に導入される。前記第１形態例と同様に、膨張タービン２５は、出口温度が前記中圧液化酸素の沸点よりも高い温度で、出口圧力が低圧塔１５に導入可能な圧力になる条件に設定され、装置の運転に必要な寒冷を発生させている。膨張タービン２５で膨張した低圧原料空気は、経路３７から再び主熱交換器１３の下流側に導入されることによって、中圧液化酸素を気化させるための温流体として利用されるとともに冷却され、経路３８を通って低圧塔１５の中段上部に導入される。
【００３６】
経路３４、経路３５、経路３８から中圧塔１４及び低圧塔１５それぞれ導入された原料空気は、前記第１形態例と同様に深冷液化分離されることにより、中圧製品窒素ガス採取経路４０から中圧製品窒素ガスが、低圧製品窒素ガス採取経路４６から低圧製品窒素ガスが、液化アルゴン採取経路５０から製品アルゴンが、中圧製品酸素ガス採取経路５５から中圧製品酸素ガスが、それぞれ採取される。
【００３７】
なお、第２形態例は、第１形態例と比較して膨張タービン２５の入口圧力を低く設定しているため、同程度の寒冷を発生させるためには処理量を増加する必要があり、その分中圧塔１４に導入する原料空気量が減少するので、製品収率、特に製品アルゴンの収率は第１形態例と比較すると若干低下する。また、第２形態例では、膨張タービンブロワを第２中圧原料空気圧縮機の最終圧縮段（第２中圧原料空気圧縮機２２Ｈ）として用いるプロセスである。したがって、第２中圧原料空気を所定の圧力まで昇圧する動力は、第１形態例よりも少なくなり、プロセス全体の動力消費量は第１形態例よりも少なくなる。
【００３８】
表２に、前記第１形態例（図１）、第２形態例（図６）及び従来例（図２）の酸素収率、アルゴン収率及び消費動力を、第１形態例における消費動力を１００として比較した結果を示す。
【表２】
【符号の説明】
【００３９】
１１…原料空気圧縮機、１２…精製器、１３…主熱交換器、１４…中圧塔、１５…低圧塔、１６…主凝縮器、１７…第１アルゴン塔、１８…第２アルゴン塔、１９…アルゴン凝縮器、２０…過冷器、２１…液化酸素ポンプ、２２，２２Ｌ，２２Ｈ…第２中圧原料空気圧縮機、２２ａ…熱交換器、２３…減圧弁、２４…第３中圧原料空気圧縮機、２４ａ…熱交換器、２５…膨張タービン、２６…減圧弁、２７…減圧弁、２８…減圧弁、３１…第１中圧原料空気経路、３２…第２中圧原料空気経路、３３…第３中圧原料空気経路、４０…中圧製品窒素ガス採取経路、４６…低圧製品窒素ガス採取経路、５０…液化アルゴン採取経路、５２…ポンプ、５５…中圧製品酸素ガス採取経路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気液化分離方法及び装置に関し、詳しくは、圧縮、精製、冷却した原料空気を中圧塔、低圧塔及びアルゴン塔で深冷液化分離することによって少なくとも製品アルゴンと中圧製品酸素ガスとを採取する空気液化分離方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原料空気を中圧塔及び低圧塔を有する複精留塔で深冷液化分離した酸素を中圧の製品酸素ガスとして採取するプロセスとして、前記低圧塔の底部に濃縮した液化酸素を抜き出して液化酸素ポンプで昇圧して所定圧力の中圧液化酸素とした後、主熱交換器で気化させて中圧製品酸素ガスとするプロセス、いわゆる内部昇圧プロセスが広く知られている。
【０００３】
このような内部昇圧プロセスにおいても、製品収率を改善するため、従来から、低圧塔内に第２凝縮器を設けたり（例えば、特許文献１参照。）、蒸留塔として高圧塔、中間圧塔、低圧塔の３塔を使用したり（例えば、特許文献２参照。）、その他の各種の提案がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２８６５２７４号公報
【特許文献２】特開２０００−３４６５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の内部昇圧プロセスにおける製品収率改善策は、いずれもプロセスが複雑になり、装置価格が上昇するという問題があった。また、製品収率の改善も十分ではなく、更なる改善が求められている。
【０００６】
そこで本発明は、装置価格の上昇を抑えながら製品収率の改善を図ることができる内部昇圧プロセスを採用した空気液化分離方法及び装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の空気液化分離方法の第１の構成は、原料空気圧縮機で圧縮し、精製器で精製し、主熱交換器で冷却した原料空気を中圧塔、低圧塔及びアルゴン塔で深冷液化分離することによって少なくとも製品アルゴンと中圧製品酸素ガスとを採取する空気液化分離方法において、前記原料空気を前記原料空気圧縮機で前記中圧塔に導入可能な中圧に昇圧して前記精製器で精製した中圧原料空気を第１中圧原料空気、第２中圧原料空気及び第３中圧原料空気に３分流する工程と、前記第１中圧原料空気を前記主熱交換器で冷却して前記中圧塔の下部に導入する工程と、前記第２中圧原料空気を更に昇圧して高圧原料空気とする工程と、前記高圧原料空気を前記主熱交換器で冷却した後に前記中圧塔に導入可能な中圧に減圧して前記中圧塔の下部に導入する工程と、前記第３中圧原料空気を更に昇圧した後に前記主熱交換器で中間温度に冷却してから膨張タービンで前記中圧製品酸素ガスの気化前の中圧液化酸素の沸点よりも高い温度でかつ前記低圧塔に導入可能な低圧に膨張させて低圧原料空気とする工程と、前記低圧原料空気を前記主熱交換器で冷却して前記低圧塔の中段上部に導入する工程と、前記中圧塔及び低圧塔での蒸留操作によって低圧塔の底部に濃縮した液化酸素を抜き出して液化酸素ポンプで昇圧して前記中圧液化酸素とする工程と、前記中圧液化酸素を前記主熱交換器で気化させて前記中圧製品酸素ガスとする工程と、前記低圧塔の中段下部から抜き出したガスを前記アルゴン塔で蒸留して前記製品アルゴンとする工程とを含むことを特徴としている。
【０００８】
本発明の空気液化分離方法の第２の構成は、原料空気圧縮機で圧縮し、精製器で精製し、主熱交換器で冷却した原料空気を中圧塔、低圧塔及びアルゴン塔で深冷液化分離することによって少なくとも製品アルゴンと中圧製品酸素ガスとを採取する空気液化分離方法において、前記原料空気を前記原料空気圧縮機で前記中圧塔に導入可能な中圧に昇圧して前記精製器で精製した中圧原料空気を第１中圧原料空気と第２中圧原料空気とに２分流する工程と、前記第１中圧原料空気を前記主熱交換器で冷却して前記中圧塔の下部に導入する工程と、前記主熱交換器で冷却される前記第１中圧原料空気の一部を中間温度で第３中圧原料空気として分流する工程と、前記第３中圧原料空気を膨張タービンで前記中圧製品酸素ガスの気化前の中圧液化酸素の沸点よりも高い温度でかつ前記低圧塔に導入可能な低圧に膨張させて低圧原料空気とする工程と、前記低圧原料空気を前記主熱交換器で冷却して前記低圧塔の中段上部に導入する工程と、前記第２中圧原料空気を更に昇圧して高圧原料空気とする工程と、前記高圧原料空気を前記主熱交換器で冷却した後に前記中圧塔に導入可能な中圧に減圧して前記中圧塔の下部に導入する工程と、前記中圧塔及び低圧塔での蒸留操作によって低圧塔の底部に濃縮した液化酸素を抜き出して液化酸素ポンプで昇圧して前記中圧液化酸素とする工程と、前記中圧液化酸素を前記主熱交換器で気化させて前記中圧製品酸素ガスとする工程と、前記低圧塔の中段下部から抜き出したガスを前記アルゴン塔で蒸留して前記製品アルゴンとする工程とを含むことを特徴としている。
【０００９】
本発明の空気液化分離装置の第１の構成は、原料空気圧縮機で圧縮し、精製器で精製し、主熱交換器で冷却した原料空気を中圧塔、低圧塔及びアルゴン塔で深冷液化分離することによって少なくとも製品アルゴンと中圧製品酸素ガスとを採取する空気液化分離装置において、前記原料空気圧縮機で前記中圧塔に導入可能な中圧に昇圧されて前記精製器で精製した中圧原料空気を第１中圧原料空気、第２中圧原料空気及び第３中圧原料空気に３分流する経路と、前記第１中圧原料空気を前記主熱交換器で冷却して前記中圧塔の下部に導入する経路と、前記第２中圧原料空気を更に昇圧して高圧原料空気とする第２中圧原料空気圧縮機と、前記高圧原料空気を前記主熱交換器で冷却した後に減圧弁で前記中圧塔に導入可能な中圧に減圧して前記中圧塔の下部に導入する経路と、前記第３中圧原料空気を更に昇圧した後に前記主熱交換器で中間温度に冷却してから前記中圧製品酸素ガスの気化前の中圧液化酸素の沸点よりも高い温度でかつ前記低圧塔に導入可能な低圧に膨張させて低圧原料空気とする膨張タービンと、前記低圧原料空気を前記主熱交換器で冷却して前記低圧塔の中段上部に導入する経路と、前記中圧塔及び低圧塔での蒸留操作によって低圧塔の底部に濃縮した液化酸素を抜き出して昇圧することにより前記中圧液化酸素とする液化酸素ポンプと、前記中圧液化酸素を前記主熱交換器で気化させて前記中圧製品酸素ガスとする経路と、前記低圧塔の中段下部から抜き出したガスを蒸留して前記製品アルゴンとする前記アルゴン塔とを備えていることを特徴としている。
【００１０】
本発明の空気液化分離装置の第２の構成は、原料空気圧縮機で圧縮し、精製器で精製し、主熱交換器で冷却した原料空気を中圧塔、低圧塔及びアルゴン塔で深冷液化分離することによって少なくとも製品アルゴンと中圧製品酸素ガスとを採取する空気液化分離装置において、前記原料空気圧縮機で前記中圧塔に導入可能な中圧に昇圧されて前記精製器で精製した中圧原料空気を第１中圧原料空気と第２中圧原料空気とに２分流する経路と、前記第１中圧原料空気を前記主熱交換器で冷却して前記中圧塔の下部に導入する経路と、前記主熱交換器で冷却される前記第１中圧原料空気の一部を中間温度で第３中圧原料空気として分流する経路と、前記第３中圧原料空気を前記中圧製品酸素ガスの気化前の中圧液化酸素の沸点よりも高い温度でかつ前記低圧塔に導入可能な低圧に膨張させて低圧原料空気とする膨張タービンと、前記低圧原料空気を前記主熱交換器で冷却して前記低圧塔の中段上部に導入する経路と、前記第２中圧原料空気を更に昇圧して高圧原料空気とする第２中圧原料空気圧縮機と、前記高圧原料空気を前記主熱交換器で冷却した後に減圧弁で前記中圧塔に導入可能な中圧に減圧して前記中圧塔の下部に導入する経路と、前記中圧塔及び低圧塔での蒸留操作によって低圧塔の底部に濃縮した液化酸素を抜き出して昇圧することにより前記中圧液化酸素とする液化酸素ポンプと、前記中圧液化酸素を前記主熱交換器で気化させて前記中圧製品酸素ガスとする経路と、前記低圧塔の中段下部から抜き出したガスを蒸留して前記製品アルゴンとする前記アルゴン塔とを備えていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の空気液化分離方法及び装置の第１の構成によれば、酸素収率及びアルゴン収率を高めることができる。また、本発明の空気液化分離方法及び装置の第２の構成によれば、第１の構成に比べてアルゴン収率は劣るものの消費電力を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の空気液化分離装置の第１形態例を示す系統図である。
【図２】内部昇圧プロセスを採用した従来の空気液化分離装置の一例を示す系統図である。
【図３】膨張タービン入口温度と膨張タービンの入口出口におけるエンタルピ差との関係を示す図である。
【図４】膨張タービン入口温度と製品アルゴン収率との関係を示す図である。
【図５】膨張タービンの断熱効率と膨張タービンの入口出口温度との関係を示す図である。
【図６】本発明の空気液化分離装置の第２形態例を示す系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
まず、図１に示す第１形態例に示す空気液化分離装置は、主要構成要素として、原料空気圧縮機１１，精製器１２，主熱交換器１３，中圧塔１４，低圧塔１５，主凝縮器１６，第１アルゴン塔（粗アルゴン塔）１７，第２アルゴン塔（脱酸塔、高純アルゴン塔）１８，アルゴン凝縮器１９，過冷器２０、液化酸素ポンプ２１、第２中圧原料空気圧縮機２２、減圧弁２３、第３中圧原料空気圧縮機２４及び膨張タービン２５を備えており、原料空気から製品アルゴン、中圧製品酸素ガス、中圧製品窒素ガス、低圧製品窒素ガスを採取するための内部昇圧プロセスを採用した構成となっている。
【００１４】
原料空気は、原料空気圧縮機１１で中圧塔１４に導入可能な中圧、すなわち、精製器１２や主熱交換器１３における圧力損失を考慮し、中圧塔１４の下部圧力より僅かに高い圧力に昇圧されて中圧原料空気となる。この中圧原料空気は、精製器１２で水分や二酸化炭素等の不純物が除去されて精製された後、第１中圧原料空気経路３１の第１中圧原料空気と、第２中圧原料空気経路３２の第２中圧原料空気と、第３中圧原料空気経路３３の第３中圧原料空気とに３分流される。
【００１５】
前記第１中圧原料空気は、前記主熱交換器１３で中圧塔１４や低圧塔１５からの戻りガスと熱交換することにより液化点付近まで冷却され、経路３４を通って中圧塔１４の下部に導入される。また、前記第２中圧原料空気は、熱交換器２２ａを介して第２中圧原料空気圧縮機２２で更に昇圧されて高圧原料空気となる。この高圧原料空気は、前記主熱交換器１３で前記戻りガスと熱交換することにより冷却され、経路３５の減圧弁２３で前記中圧塔１４に導入可能な中圧に減圧されて一部が液化した状態で中圧塔１４の下部に導入される。
【００１６】
前記第３中圧原料空気は、熱交換器２４ａを介して第３中圧原料空気圧縮機２４で更に昇圧された後、前記主熱交換器１３の上流側で中間温度に冷却された状態で経路３６に抜き出され、膨張タービン２５に導入される。この膨張タービン２５では、第３中圧原料空気を断熱膨張させて低圧原料空気とする際に、膨張タービン２５の出口温度、すなわち低圧原料空気の温度が前記中圧製品酸素ガスの気化前の中圧液化酸素の沸点よりも高い温度で、かつ、出口圧力、すなわち低圧原料空気の圧力が、低圧塔１５の中段上部の圧力より僅かに高く、低圧塔１５に導入可能な圧力になるように設定され、装置の運転に必要な寒冷を発生させている。この低圧原料空気は、経路３７を通って再び主熱交換器１３の下流側に導入され、前記戻りガスと熱交換することにより冷却されてから経路３８を経て低圧塔１５の中段上部に導入される。
【００１７】
中圧塔１４に導入された第１中圧原料空気及び第２中圧原料空気は、中圧塔１４での蒸留操作により、塔頂部の窒素富化流体（窒素ガス）と塔底部の酸素富化液化流体（酸素富化液化空気）とに分離される。塔頂部の窒素富化流体の一部は、経路３９に抜き出されて主熱交換器１３に導入され、前記各原料ガスと熱交換を行って常温付近まで昇温し、中圧製品窒素ガス採取経路４０から中圧製品窒素ガスとして採取される。窒素富化流体の残部は、前記主凝縮器１６で液化して液化窒素となり、その大部分が中圧塔１４の還流液として中圧塔１４の頂部に導入され、残部の液化窒素は、経路４１を通って過冷器２０で冷却され、減圧弁２６で前記低圧塔１５に導入可能な低圧に減圧された後、低圧塔１５の頂部に導入されて低圧塔１５の還流液となる。
【００１８】
また、中圧塔１４の塔底部の酸素富化液化流体は、経路４２に抜き出されて過冷器２０で冷却された後、一部が減圧弁２７で低圧塔１５に導入可能な圧力に減圧されて低圧塔１５の中段部に下降液として導入される。残部の酸素富化液化流体は、経路４３に分流して減圧弁２８で低圧塔１５に導入可能な圧力に減圧されてからアルゴン凝縮器１９に導入され、気化して酸素富化気化流体となり、経路４４から低圧塔１５の中段部に上昇ガスとして導入される。
【００１９】
低圧塔１５では、導入された各流体の蒸留操作が行われ、低圧塔１５の塔底部に酸素が濃縮されて液化酸素となり、低圧塔１５の塔頂部には窒素が濃縮されて高純度窒素ガスとなり、低圧塔１５の中段下部の流体中にはアルゴンが濃縮される。高純度窒素ガスは、低圧塔１５の塔頂部から経路４５に抜き出され、過冷器２０及び主熱交換器１３で熱交換を行うことにより常温付近まで昇温し、低圧製品窒素ガス採取経路４６から低圧製品窒素ガスとして採取される。また、低圧塔１５の塔上部からは、経路４７に廃ガスが抜き出され、過冷器２０及び主熱交換器１３での熱交換により昇温した後、前記精製器１２の再生ガスとして用いられる。
【００２０】
低圧塔１５の中段下部からは、アルゴンが濃縮したガス流体が経路４８に抜き出されて第１アルゴン塔１７の下部に上昇ガスとして導入され、第１アルゴン塔１７の頂部にアルゴンが更に濃縮される。第１アルゴン塔１７の頂部のガス流体は、経路４９を通って第２アルゴン塔１８の下部に上昇ガスとして導入され、第２アルゴン塔１８での蒸留操作によって第２アルゴン塔１８の頂部に高純度のアルゴンガスが分離する。このアルゴンガスは、前記アルゴン凝縮器１９で前記酸素富化液化流体と熱交換することにより液化して液化アルゴンとなる。この液化アルゴンの大部分は第２アルゴン塔１８の頂部に還流液として導入され、残部の液化アルゴンが、液化アルゴン採取経路５０から製品液化アルゴンとして採取される。また、第２アルゴン塔１８の底部から経路５１に抜き出された液流体は、ポンプ５２により第１アルゴン塔１７の頂部に送られて還流液となり、第１アルゴン塔１７の底部の液流体は、経路５３を通って低圧塔１５の中段下部に戻されて下降液となる。
【００２１】
前記低圧塔１５の塔底部の液化酸素は、一部が前記主凝縮器１６で前記窒素富化流体と熱交換を行うことにより気化して低圧塔１５の上昇ガスとなり、残部が経路５４に抜き出されて液化酸素ポンプ２１によってあらかじめ設定された圧力に昇圧されて中圧液化酸素となる。この中圧液化酸素は、主熱交換器１３に導入されて前記各原料ガスと熱交換を行うことにより気化して中圧酸素ガスになるとともに常温付近まで昇温し、中圧製品酸素ガス採取経路５５から中圧製品酸素ガスとして採取される。
【００２２】
本形態例に示すプロセスのシミュレーション結果を表１に示す。なお、各流体の流量は、原料空気の流量を１００としている。
【表１】
【００２３】
このように、製品アルゴン、中圧製品酸素ガス、中圧製品窒素ガス、低圧製品窒素ガスを採取する際に、第３中圧原料空気が膨張タービン２５で膨張して降温した低圧原料空気の膨張タービン出口温度を前記中圧液化酸素の沸点よりも高い温度に設定し、装置の運転に必要な寒冷を発生させるとともに、第３中圧原料空気が膨張した後の低圧原料空気を再び主熱交換器１３の下流側に導入することにより、中圧液化酸素を気化させるための温流体として低圧原料空気を有効に利用することができる。
【００２４】
従来は、例えば図２に示すように、膨張タービン２５で膨張した低圧原料空気を、膨張タービン２５の出口から経路５６を通してそのまま低圧塔１５に導入し、装置の運転に必要な寒冷を発生させるためにだけに膨張タービン２５を利用しており、中圧液化酸素の気化には利用していなかった。
【００２５】
なお、図２に示す空気液化分離装置は、膨張タービン２５の出口側の経路が異なるのみで、他の構成は図１の第１形態例に示した空気液化分離装置と同一としているので、図１と図２の同一の主な構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００２６】
また、図３に入口圧力と出口圧力とがそれぞれ同じ条件とした場合において、膨張タービン２５の入口温度と、膨張タービン２５の入口出口におけるエンタルピ差との関係の一例を示している。この図３から明らかなように、膨張タービン２５の入口温度が高いほど前記エンタルピ差が大きくなる。例えば、図２に示す従来のプロセスでは、膨張タービン２５で膨張した低圧原料空気を低圧塔１５に直接導入するので、図５に示すように、出口温度（低圧塔１５の温度、約９０Ｋ）の関係から入口温度が約１５０Ｋになり、このときのエンタルピ差は約１５７０Ｊ／ｇｍｏｌとなる。
【００２７】
一方、前記第１形態例では、膨張タービン２５で膨張した低圧原料空気を再度主熱交換器１３に導入し、約９０Ｋに冷却してから低圧塔１５に導入すればよいことから、中圧液化酸素の沸点よりも高い温度に設定する以外に出口温度の制約がほとんどなくなり、膨張タービン２５の断熱効率などの条件によって入口温度を設定することができる。例えば、膨張タービン２５の入口温度を１９６Ｋに設定した場合は、図３に示すように、エンタルピ差が約２１６０Ｊ／ｇｍｏｌとなり、図２に示した従来の空気分離装置と比較するとエンタルピ差が約４０％向上するので、膨張タービン２５の処理量を従来に比べて約４０％少なくしても、従来と同程度の寒冷を発生させることができる。これにより、低圧塔１５に導入する原料空気量が減少し、中圧塔１４に導入する原料空気量、特に第１中圧原料空気の量を増加させることができる。したがって、中圧塔１４での蒸留操作により分離される塔頂部の窒素富化流体の量を増加させることができ、経路３９に抜き出される中圧製品窒素ガス量が従来のプロセスと同程度の場合には、主凝縮器１６に温流体として導入される窒素富化流体の量が増加し、その熱交換量が増加する。その結果、低圧塔１５の底部における蒸発ガス量（焚き上げとも言う。）が増加するので、製品収率の改善、特に製品アルゴンの収率改善に大きく寄与することができる。
【００２８】
図４は、酸素ガスを１．６ＭＰａで採取するプロセスにおける膨張タービン２５の入口温度と製品アルゴンの収率との関係を示すもので、膨張タービン２５の入口温度を高くすることによって製品アルゴンの収率を改善できることがわかる。但し、膨張タービン２５の入口温度がある温度Ｔｃを超えると、製品アルゴン収率の改善はほとんど期待できなくなる。しかし、入口温度が温度Ｔｃを超える設定とすることにより、膨張タービン２５の入口出口におけるエンタルピ差の増大から膨張タービン２５の処理量を更に少なくできる。さらに、前記第３中圧原料空気圧縮機２４を膨張タービン２５の制動ブロワとすることにより、第３中圧原料空気圧縮機２４の消費動力を低減するができる。
【００２９】
一方、図５に示すように、膨張タービン２５の入口温度が高い程、あるいは膨張タービン２５の断熱効率ηが低い程、膨張タービン出口温度は高くなる。例えば、膨張タービン２５の入口温度をそれぞれ前述の１９６Ｋ、１５０Ｋとし、膨張タービンの断熱効率を８５％に設定すると、膨張タービン出口温度は、それぞれ約１２５Ｋ、９０Ｋとなる。この膨張タービンを出た約１２５Ｋの原料空気を低圧塔１５に直接導入すると低圧塔の蒸留効率が低下する。
【００３０】
つまり、一例であるが、膨張タービン２５からの原料空気が導入される低圧塔１５の導入部分を下降する還流液流体温度は約９０Ｋであり、そこに、約１２５Ｋの原料空気が直接導入されると、その一部が気化する。このため、原料空気が導入された部分の気液比（＝下降還流液流量／上昇ガス流量）が低下し、低圧塔内の蒸留分離効率が低下する。
【００３１】
しかし、本形態例に示すように、膨張タービン２５を出た原料空気を主熱交換器１３に再度導入し、冷却した後に低圧塔１５に導入することにより、膨張タービン２５の処理流量の低減と製品アルゴン収率の改善を図りつつ、低圧塔１５の蒸留分離効率の低下を防ぐことができる。従来のプロセスでは、膨張タービン２５の入口温度、すなわち出口温度が比較的低いので、膨張タービンからの原料空気を低圧塔に直接導入しても、プロセス上大きな問題はなかった。
【００３２】
一般的に、膨張タービン２５に導入する原料空気をより高い温度で導入した場合、得られる寒冷が多いことは、公知技術である。しかし、本形態例に示すように、このような膨張タービンの性質を、製品として少なくとも酸素及びアルゴンを採取し、しかも、製品酸素の少なくとも一部を内部昇圧した後に採取する空気分離装置に採用することで、膨張タービンの性質を最大限に利用できる。特に、液化酸素を内部昇圧して中圧酸素を採取するプロセスでは、主熱交換器１３内で、液化酸素を蒸発させるための潜熱及び顕熱を供給する必要があり、その熱の一部として、膨張タービン２５からの比較的温度の高い原料空気を有効に利用できる。
【００３３】
図６は、本発明の空気液化分離装置の第２形態例を示す系統図である。なお、前記第１形態例に示した空気液化分離装置の構成要素と同一の主要な構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００３４】
原料空気は、前記同様に、原料空気圧縮機１１で中圧塔１４に導入可能な圧力に昇圧されて中圧原料空気となり、精製器１２で精製された後、経路６１の第１中圧原料空気と、経路６２の第２中圧原料空気とに２分流される。この第２中圧原料空気は、熱交換器２２ａを介して直列に配置された２台の第２中圧原料空気圧縮機２２Ｌ、２２Ｈで順次昇圧されて高圧原料空気となり、主熱交換器１３で冷却された後、経路３５の減圧弁２３で減圧されて中圧塔１４の下部に導入される。なお、第２中圧原料空気圧縮機は、１台の圧縮機で構成してもよい。
【００３５】
前記第１中圧原料空気の大部分は、前記主熱交換器１３で冷却されて経路３４から中圧塔１４の下部に導入される。第１中圧原料空気の一部は、主熱交換器１３の中間温度で経路６３に分流されて第３中圧原料空気となり、膨張タービン２５に導入される。前記第１形態例と同様に、膨張タービン２５は、出口温度が前記中圧液化酸素の沸点よりも高い温度で、出口圧力が低圧塔１５に導入可能な圧力になる条件に設定され、装置の運転に必要な寒冷を発生させている。膨張タービン２５で膨張した低圧原料空気は、経路３７から再び主熱交換器１３の下流側に導入されることによって、中圧液化酸素を気化させるための温流体として利用されるとともに冷却され、経路３８を通って低圧塔１５の中段上部に導入される。
【００３６】
経路３４、経路３５、経路３８から中圧塔１４及び低圧塔１５それぞれ導入された原料空気は、前記第１形態例と同様に深冷液化分離されることにより、中圧製品窒素ガス採取経路４０から中圧製品窒素ガスが、低圧製品窒素ガス採取経路４６から低圧製品窒素ガスが、液化アルゴン採取経路５０から製品アルゴンが、中圧製品酸素ガス採取経路５５から中圧製品酸素ガスが、それぞれ採取される。
【００３７】
なお、第２形態例は、第１形態例と比較して膨張タービン２５の入口圧力を低く設定しているため、同程度の寒冷を発生させるためには処理量を増加する必要があり、その分中圧塔１４に導入する原料空気量が減少するので、製品収率、特に製品アルゴンの収率は第１形態例と比較すると若干低下する。また、第２形態例では、膨張タービンブロワを第２中圧原料空気圧縮機の最終圧縮段（第２中圧原料空気圧縮機２２Ｈ）として用いるプロセスである。したがって、第２中圧原料空気を所定の圧力まで昇圧する動力は、第１形態例よりも少なくなり、プロセス全体の動力消費量は第１形態例よりも少なくなる。
【００３８】
表２に、前記第１形態例（図１）、第２形態例（図６）及び従来例（図２）の酸素収率、アルゴン収率及び消費動力を、第１形態例における消費動力を１００として比較した結果を示す。
【表２】
【符号の説明】
【００３９】
１１…原料空気圧縮機、１２…精製器、１３…主熱交換器、１４…中圧塔、１５…低圧塔、１６…主凝縮器、１７…第１アルゴン塔、１８…第２アルゴン塔、１９…アルゴン凝縮器、２０…過冷器、２１…液化酸素ポンプ、２２，２２Ｌ，２２Ｈ…第２中圧原料空気圧縮機、２２ａ…熱交換器、２３…減圧弁、２４…第３中圧原料空気圧縮機、２４ａ…熱交換器、２５…膨張タービン、２６…減圧弁、２７…減圧弁、２８…減圧弁、３１…第１中圧原料空気経路、３２…第２中圧原料空気経路、３３…第３中圧原料空気経路、４０…中圧製品窒素ガス採取経路、４６…低圧製品窒素ガス採取経路、５０…液化アルゴン採取経路、５２…ポンプ、５５…中圧製品酸素ガス採取経路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料空気圧縮機で圧縮し、精製器で精製し、主熱交換器で冷却した原料空気を中圧塔、低圧塔及びアルゴン塔で深冷液化分離することによって少なくとも製品アルゴンと中圧製品酸素ガスとを採取する空気液化分離方法において、前記原料空気を前記原料空気圧縮機で前記中圧塔に導入可能な中圧に昇圧して前記精製器で精製した中圧原料空気を第１中圧原料空気、第２中圧原料空気及び第３中圧原料空気に３分流する工程と、前記第１中圧原料空気を前記主熱交換器で冷却して前記中圧塔の下部に導入する工程と、前記第２中圧原料空気を更に昇圧して高圧原料空気とする工程と、前記高圧原料空気を前記主熱交換器で冷却した後に前記中圧塔に導入可能な中圧に減圧して前記中圧塔の下部に導入する工程と、前記第３中圧原料空気を更に昇圧した後に前記主熱交換器で中間温度に冷却してから膨張タービンで前記中圧製品酸素ガスの気化前の中圧液化酸素の沸点よりも高い温度でかつ前記低圧塔に導入可能な低圧に膨張させて低圧原料空気とする工程と、前記低圧原料空気を前記主熱交換器で冷却して前記低圧塔の中段上部に導入する工程と、前記中圧塔及び低圧塔での蒸留操作によって低圧塔の底部に濃縮した液化酸素を抜き出して液化酸素ポンプで昇圧して前記中圧液化酸素とする工程と、前記中圧液化酸素を前記主熱交換器で気化させて前記中圧製品酸素ガスとする工程と、前記低圧塔の中段下部から抜き出したガスを前記アルゴン塔で蒸留して前記製品アルゴンとする工程とを含むことを特徴とする空気液化分離方法。
【請求項２】
原料空気圧縮機で圧縮し、精製器で精製し、主熱交換器で冷却した原料空気を中圧塔、低圧塔及びアルゴン塔で深冷液化分離することによって少なくとも製品アルゴンと中圧製品酸素ガスとを採取する空気液化分離方法において、前記原料空気を前記原料空気圧縮機で前記中圧塔に導入可能な中圧に昇圧して前記精製器で精製した中圧原料空気を第１中圧原料空気と第２中圧原料空気とに２分流する工程と、前記第１中圧原料空気を前記主熱交換器で冷却して前記中圧塔の下部に導入する工程と、前記主熱交換器で冷却される前記第１中圧原料空気の一部を中間温度で第３中圧原料空気として分流する工程と、前記第３中圧原料空気を膨張タービンで前記中圧製品酸素ガスの気化前の中圧液化酸素の沸点よりも高い温度でかつ前記低圧塔に導入可能な低圧に膨張させて低圧原料空気とする工程と、前記低圧原料空気を前記主熱交換器で冷却して前記低圧塔の中段上部に導入する工程と、前記第２中圧原料空気を更に昇圧して高圧原料空気とする工程と、前記高圧原料空気を前記主熱交換器で冷却した後に前記中圧塔に導入可能な中圧に減圧して前記中圧塔の下部に導入する工程と、前記中圧塔及び低圧塔での蒸留操作によって低圧塔の底部に濃縮した液化酸素を抜き出して液化酸素ポンプで昇圧して前記中圧液化酸素とする工程と、前記中圧液化酸素を前記主熱交換器で気化させて前記中圧製品酸素ガスとする工程と、前記低圧塔の中段下部から抜き出したガスを前記アルゴン塔で蒸留して前記製品アルゴンとする工程とを含むことを特徴とする空気液化分離方法。
【請求項３】
原料空気圧縮機で圧縮し、精製器で精製し、主熱交換器で冷却した原料空気を中圧塔、低圧塔及びアルゴン塔で深冷液化分離することによって少なくとも製品アルゴンと中圧製品酸素ガスとを採取する空気液化分離装置において、前記原料空気圧縮機で前記中圧塔に導入可能な中圧に昇圧されて前記精製器で精製した中圧原料空気を第１中圧原料空気、第２中圧原料空気及び第３中圧原料空気に３分流する経路と、前記第１中圧原料空気を前記主熱交換器で冷却して前記中圧塔の下部に導入する経路と、前記第２中圧原料空気を更に昇圧して高圧原料空気とする第２中圧原料空気圧縮機と、前記高圧原料空気を前記主熱交換器で冷却した後に減圧弁で前記中圧塔に導入可能な中圧に減圧して前記中圧塔の下部に導入する経路と、前記第３中圧原料空気を更に昇圧した後に前記主熱交換器で中間温度に冷却してから前記中圧製品酸素ガスの気化前の中圧液化酸素の沸点よりも高い温度でかつ前記低圧塔に導入可能な低圧に膨張させて低圧原料空気とする膨張タービンと、前記低圧原料空気を前記主熱交換器で冷却して前記低圧塔の中段上部に導入する経路と、前記中圧塔及び低圧塔での蒸留操作によって低圧塔の底部に濃縮した液化酸素を抜き出して昇圧することにより前記中圧液化酸素とする液化酸素ポンプと、前記中圧液化酸素を前記主熱交換器で気化させて前記中圧製品酸素ガスとする経路と、前記低圧塔の中段下部から抜き出したガスを蒸留して前記製品アルゴンとする前記アルゴン塔とを備えていることを特徴とする空気液化分離装置。
【請求項４】
原料空気圧縮機で圧縮し、精製器で精製し、主熱交換器で冷却した原料空気を中圧塔、低圧塔及びアルゴン塔で深冷液化分離することによって少なくとも製品アルゴンと中圧製品酸素ガスとを採取する空気液化分離装置において、前記原料空気圧縮機で前記中圧塔に導入可能な中圧に昇圧されて前記精製器で精製した中圧原料空気を第１中圧原料空気と第２中圧原料空気とに２分流する経路と、前記第１中圧原料空気を前記主熱交換器で冷却して前記中圧塔の下部に導入する経路と、前記主熱交換器で冷却される前記第１中圧原料空気の一部を中間温度で第３中圧原料空気として分流する経路と、前記第３中圧原料空気を前記中圧製品酸素ガスの気化前の中圧液化酸素の沸点よりも高い温度でかつ前記低圧塔に導入可能な低圧に膨張させて低圧原料空気とする膨張タービンと、前記低圧原料空気を前記主熱交換器で冷却して前記低圧塔の中段上部に導入する経路と、前記第２中圧原料空気を更に昇圧して高圧原料空気とする第２中圧原料空気圧縮機と、前記高圧原料空気を前記主熱交換器で冷却した後に減圧弁で前記中圧塔に導入可能な中圧に減圧して前記中圧塔の下部に導入する経路と、前記中圧塔及び低圧塔での蒸留操作によって低圧塔の底部に濃縮した液化酸素を抜き出して昇圧することにより前記中圧液化酸素とする液化酸素ポンプと、前記中圧液化酸素を前記主熱交換器で気化させて前記中圧製品酸素ガスとする経路と、前記低圧塔の中段下部から抜き出したガスを蒸留して前記製品アルゴンとする前記アルゴン塔とを備えていることを特徴とする空気液化分離装置。
【請求項１】
原料空気圧縮機で圧縮し、精製器で精製し、主熱交換器で冷却した原料空気を中圧塔、低圧塔及びアルゴン塔で深冷液化分離することによって少なくとも製品アルゴンと中圧製品酸素ガスとを採取する空気液化分離方法において、前記原料空気を前記原料空気圧縮機で前記中圧塔に導入可能な中圧に昇圧して前記精製器で精製した中圧原料空気を第１中圧原料空気、第２中圧原料空気及び第３中圧原料空気に３分流する工程と、前記第１中圧原料空気を前記主熱交換器で冷却して前記中圧塔の下部に導入する工程と、前記第２中圧原料空気を更に昇圧して高圧原料空気とする工程と、前記高圧原料空気を前記主熱交換器で冷却した後に前記中圧塔に導入可能な中圧に減圧して前記中圧塔の下部に導入する工程と、前記第３中圧原料空気を更に昇圧した後に前記主熱交換器で中間温度に冷却してから膨張タービンで前記中圧製品酸素ガスの気化前の中圧液化酸素の沸点よりも高い温度でかつ前記低圧塔に導入可能な低圧に膨張させて低圧原料空気とする工程と、前記低圧原料空気を前記主熱交換器で冷却して前記低圧塔の中段上部に導入する工程と、前記中圧塔及び低圧塔での蒸留操作によって低圧塔の底部に濃縮した液化酸素を抜き出して液化酸素ポンプで昇圧して前記中圧液化酸素とする工程と、前記中圧液化酸素を前記主熱交換器で気化させて前記中圧製品酸素ガスとする工程と、前記低圧塔の中段下部から抜き出したガスを前記アルゴン塔で蒸留して前記製品アルゴンとする工程とを含むことを特徴とする空気液化分離方法。
【請求項２】
原料空気圧縮機で圧縮し、精製器で精製し、主熱交換器で冷却した原料空気を中圧塔、低圧塔及びアルゴン塔で深冷液化分離することによって少なくとも製品アルゴンと中圧製品酸素ガスとを採取する空気液化分離方法において、前記原料空気を前記原料空気圧縮機で前記中圧塔に導入可能な中圧に昇圧して前記精製器で精製した中圧原料空気を第１中圧原料空気と第２中圧原料空気とに２分流する工程と、前記第１中圧原料空気を前記主熱交換器で冷却して前記中圧塔の下部に導入する工程と、前記主熱交換器で冷却される前記第１中圧原料空気の一部を中間温度で第３中圧原料空気として分流する工程と、前記第３中圧原料空気を膨張タービンで前記中圧製品酸素ガスの気化前の中圧液化酸素の沸点よりも高い温度でかつ前記低圧塔に導入可能な低圧に膨張させて低圧原料空気とする工程と、前記低圧原料空気を前記主熱交換器で冷却して前記低圧塔の中段上部に導入する工程と、前記第２中圧原料空気を更に昇圧して高圧原料空気とする工程と、前記高圧原料空気を前記主熱交換器で冷却した後に前記中圧塔に導入可能な中圧に減圧して前記中圧塔の下部に導入する工程と、前記中圧塔及び低圧塔での蒸留操作によって低圧塔の底部に濃縮した液化酸素を抜き出して液化酸素ポンプで昇圧して前記中圧液化酸素とする工程と、前記中圧液化酸素を前記主熱交換器で気化させて前記中圧製品酸素ガスとする工程と、前記低圧塔の中段下部から抜き出したガスを前記アルゴン塔で蒸留して前記製品アルゴンとする工程とを含むことを特徴とする空気液化分離方法。
【請求項３】
原料空気圧縮機で圧縮し、精製器で精製し、主熱交換器で冷却した原料空気を中圧塔、低圧塔及びアルゴン塔で深冷液化分離することによって少なくとも製品アルゴンと中圧製品酸素ガスとを採取する空気液化分離装置において、前記原料空気圧縮機で前記中圧塔に導入可能な中圧に昇圧されて前記精製器で精製した中圧原料空気を第１中圧原料空気、第２中圧原料空気及び第３中圧原料空気に３分流する経路と、前記第１中圧原料空気を前記主熱交換器で冷却して前記中圧塔の下部に導入する経路と、前記第２中圧原料空気を更に昇圧して高圧原料空気とする第２中圧原料空気圧縮機と、前記高圧原料空気を前記主熱交換器で冷却した後に減圧弁で前記中圧塔に導入可能な中圧に減圧して前記中圧塔の下部に導入する経路と、前記第３中圧原料空気を更に昇圧した後に前記主熱交換器で中間温度に冷却してから前記中圧製品酸素ガスの気化前の中圧液化酸素の沸点よりも高い温度でかつ前記低圧塔に導入可能な低圧に膨張させて低圧原料空気とする膨張タービンと、前記低圧原料空気を前記主熱交換器で冷却して前記低圧塔の中段上部に導入する経路と、前記中圧塔及び低圧塔での蒸留操作によって低圧塔の底部に濃縮した液化酸素を抜き出して昇圧することにより前記中圧液化酸素とする液化酸素ポンプと、前記中圧液化酸素を前記主熱交換器で気化させて前記中圧製品酸素ガスとする経路と、前記低圧塔の中段下部から抜き出したガスを蒸留して前記製品アルゴンとする前記アルゴン塔とを備えていることを特徴とする空気液化分離装置。
【請求項４】
原料空気圧縮機で圧縮し、精製器で精製し、主熱交換器で冷却した原料空気を中圧塔、低圧塔及びアルゴン塔で深冷液化分離することによって少なくとも製品アルゴンと中圧製品酸素ガスとを採取する空気液化分離装置において、前記原料空気圧縮機で前記中圧塔に導入可能な中圧に昇圧されて前記精製器で精製した中圧原料空気を第１中圧原料空気と第２中圧原料空気とに２分流する経路と、前記第１中圧原料空気を前記主熱交換器で冷却して前記中圧塔の下部に導入する経路と、前記主熱交換器で冷却される前記第１中圧原料空気の一部を中間温度で第３中圧原料空気として分流する経路と、前記第３中圧原料空気を前記中圧製品酸素ガスの気化前の中圧液化酸素の沸点よりも高い温度でかつ前記低圧塔に導入可能な低圧に膨張させて低圧原料空気とする膨張タービンと、前記低圧原料空気を前記主熱交換器で冷却して前記低圧塔の中段上部に導入する経路と、前記第２中圧原料空気を更に昇圧して高圧原料空気とする第２中圧原料空気圧縮機と、前記高圧原料空気を前記主熱交換器で冷却した後に減圧弁で前記中圧塔に導入可能な中圧に減圧して前記中圧塔の下部に導入する経路と、前記中圧塔及び低圧塔での蒸留操作によって低圧塔の底部に濃縮した液化酸素を抜き出して昇圧することにより前記中圧液化酸素とする液化酸素ポンプと、前記中圧液化酸素を前記主熱交換器で気化させて前記中圧製品酸素ガスとする経路と、前記低圧塔の中段下部から抜き出したガスを蒸留して前記製品アルゴンとする前記アルゴン塔とを備えていることを特徴とする空気液化分離装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−８３０５８（Ｐ２０１２−８３０５８Ａ）
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３１０９０（Ｐ２０１０−２３１０９０）
【出願日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【出願人】（０００２３１２３５）大陽日酸株式会社 (642)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【出願人】（０００２３１２３５）大陽日酸株式会社 (642)
【Ｆターム（参考）】
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