JP3474180B2 - ガス製品用空気分離装置およびその冷熱利用方法 - Google Patents
ガス製品用空気分離装置およびその冷熱利用方法Info
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Description
造する空気分離装置およびその冷熱利用方法に関し、さ
らに詳しくは、液化天然ガス(以下、LNGという)の
冷熱を利用して原料空気から窒素および酸素等のガス製
品を製造する空気分離装置およびその装置を用いて寒冷
損失を補填する方法に関するものである。
ている空気分離装置では、膨張タービンを用いて熱交換
器の温端における損失および侵入熱等を補償するため、
空気や窒素ガスを所定圧力に圧縮して、寒冷を発生させ
る必要がある。
作用を説明するための図である。同図に示すように、吸
入フィルター1で濾過された原料空気は、空気圧縮機2
に導入され、約0.5MPaまで圧縮された後、後方冷却器3
を通して冷却され、吸着塔4で含有される水分および炭
酸ガス等の不要成分が除去される。これらが原料空気を
供給する手段を構成する。
述するように、精留塔から取り出された低温の窒素ガス
や酸素ガスと熱交換することによって沸点近くまで冷却
された後、高圧精留塔6に導入される。高圧精留塔6に
導入された原料空気は、同塔内を上昇する間に還流液体
窒素との気液接触によって、次第に窒素濃度を高め、頂
部では高純度窒素ガスとなる。頂部に達した窒素ガスは
凝縮器8に導入されて、低圧精留塔7の底部の液体酸素
との熱交換により凝縮して液体窒素となり、その一部は
低圧精留塔7の還流液として低圧塔の頂部に、一部は還
流液として高圧精留塔6の頂部に供給される。
は、高圧精留塔6の頂部から降下する間に空気と接触し
て酸素濃度を高めてゆき、底部から高酸素濃度の液体空
気として抜き取られて、低圧精留塔7の中間部に供給さ
れる。この液体空気は、低圧精留塔7を降下する間に酸
素濃度をさらに高めて、底部では高純度の液体酸素とし
て滞留する。
留塔7の底部から、また、高純度の窒素を低圧精留塔7
の頂部または高圧精留塔6の頂部からそれぞれ取り出
し、主熱交換器5まで還流して、前述の通り、原料空気
との熱交換を行うことによって大気温度近傍まで加温さ
れ、酸素ガスおよび窒素ガスのガス製品として供給され
る。また、低圧精留塔7の上部からは低純度の窒素ガス
が抜き取られ、主熱交換器5で加熱された後、排窒素ガ
スとして吸着塔4の再生ガスや冷水製造用として利用さ
れた後、大気へ放出される。
装置では、通常、熱交換器の温端における損失および侵
入熱等を補償するために、常時、寒冷を発生させること
が必要になる。このため、加圧、冷却並びに水分および
炭酸ガス等が除去された原料空気の一部は、昇圧機9お
よび後方冷却器10に通して圧縮、冷却した後、膨張ター
ビン11を用いて寒冷を発生させて、低圧精留塔7の上部
に投入している。
ルギーであり、石油代替エネルギーの観点から導入が推
進されるようになり、これに伴ってLNGの有する冷熱
を有効に利用する技術が開発され、液体窒素や液体酸素
を製造する空気分離装置に実用化が進められている(例
えば、特開2000−65470号公報、特開平6−11254号公
報)。
NG受入基地から比較的近い場所に建設され、受入基地
から供給される多量、具体的には20t/h以上のLNGの
冷熱を回収し、窒素や酸素の液体製品を効率的に製造し
ている大規模な空気分離装置がある。この場合には、当
該装置で製造される窒素ガス、または酸素含有量の少な
い窒素ガスが回収媒体として用いられ、これらの窒素ガ
スがLNGとの熱交換により液化され、熱交換器の温端
における損失および侵入熱等を補償するために空気分離
装置本体に供給される。しかし、LNGの冷熱利用を大
規模の空気分離装置で実施する場合には、その冷熱回収
プロセスが複雑化していることから、既存装置を改造す
ることが困難である。
のために、LNGサテライト基地が建設されている。こ
のサテライト基地まではローリー車などによりLNGが
輸送されるが、LNG受入基地と比較して小規模であ
り、代表的には1〜5t/h程度に留まるため、空温式気
化器などにより気化される程度であり、LNGの冷熱が
有効に利用されていないのが現状である。
分離装置において必要とされる寒冷は、圧縮、冷却した
空気や窒素ガスを膨張タービンで膨張させることにより
発生させており、LNGの冷熱を利用した事例は存在し
なかった。これは、主にガス製品を製造する空気分離装
置は、液体製品を製造する場合に比べて、必要とされる
寒冷が少ないにもかかわらず、その寒冷をLNGの冷熱
で簡便に補償する手段が開発されておらず、複雑な設備
が必要となり、LNGの冷熱を利用する経済的な効果が
乏しかったためである。
たもので、主にガス製品を製造する空気分離装置であっ
ても、LNGの冷熱を有効に利用することが可能であ
り、これによりガス製品の製造に必要な電力原単位の低
減が図れる空気分離装置、およびその冷熱利用方法を提
供することを目的としている。
ス製品用空気分離装置、並びに(2)および(3)の空気分離
装置による冷熱利用方法を要旨としている。 (1) 原料空気を供給する手段と、供給された原料空気と
取り出されたガス製品とを熱交換する主熱交換器と、こ
の主熱交換器で冷却された原料空気を取り込んで選択的
に組成成分を分離する精留塔と、天然ガスの冷熱を回収
するLNG熱交換器と、前記主熱交換器からLNG熱交
換器へガス製品のうち窒素ガスを流通させる手段、およ
びLNG熱交換器から主熱交換器まで窒素ガスを流通さ
せる手段を設けたことを特徴とするガス製品を製造する
空気分離装置。 (2) 供給された原料空気と取り出されたガス製品とを熱
交換する主熱交換器と、この主熱交換器で冷却された原
料空気を取り込んで選択的に組成成分を分離する精留塔
を有し、ガス製品を製造する空気分離装置による冷熱利
用方法であって、当該装置の出側に天然ガスの冷熱を回
収するLNG熱交換器を設け、前記精留塔から取り出さ
れたガス製品を前記主熱交換器で原料空気との熱交換に
よって加熱し、次いでガス製品のうち窒素ガスを前記L
NG熱交換器に通して冷熱を回収した後、再び前記主熱
交換器に通して原料空気と熱交換してガス製品とするこ
とを特徴とする空気分離装置の冷熱利用方法。 (3) 供給された原料空気と取り出されたガス製品とを熱
交換する主熱交換器と、この主熱交換器で冷却された原
料空気を取り込んで選択的に組成成分を分離する精留塔
を有し、ガス製品を製造する空気分離装置による冷熱利
用方法であって、当該装置の出側に天然ガスの冷熱を回
収するLNG熱交換器を設け、前記精留塔から取り出さ
れたガス製品を前記主熱交換器で原料空気との熱交換に
よって加熱し、次いでガス製品のうち窒素ガスを分岐し
て一部を前記LNG熱交換器に通して冷熱を回収した
後、前記精留塔から取り出され、かつ主熱交換器に通す
前の窒素ガスに合流させることを特徴とする空気分離装
置の冷熱利用方法。
を通して分岐された窒素ガスを所定圧力まで圧縮または
/および所定温度まで冷却してLNG熱交換器に通すこ
とが望ましい。また、精留塔から取り出された窒素ガス
に合流させる場合には、LNG熱交換器に通して冷熱を
回収した窒素ガスを所定温度まで冷却するのが望まし
い。
NG熱交換器に通される窒素ガスは高純度の窒素ガスま
たは酸素含有量の少ない窒素ガスであって、LNG圧力
よりも高い圧力を有することが望ましい。
の出側にLNGの冷熱を回収するLNG熱交換器と、主
熱交換器からLNG熱交換器へガスを流通させる手段、
およびLNG熱交換器から主熱交換器までガスを流通さ
せる手段を設けて、精留塔から取り出されたガス製品を
主熱交換器を通して大気温度近傍まで加温させ、このガ
ス製品のうち窒素ガスを主熱交換器からLNG熱交換器
へ導入させ、窒素ガスをLNGの冷熱を回収させること
により低温まで冷却し、その冷却されたガス製品を主熱
交換器に再度導入して空気分離装置内に寒冷を供給する
ことを特徴としている。
て、主にガス製品を製造する空気分離装置であっても、
必要となる寒冷を膨張タービンを用いることなく、その
膨張タービンの装置よりも簡易な設備装置でLNGの冷
熱から賄うことができる。
器、および主熱交換器とLNG熱交換器との間をガス製
品を流通させる手段の新設が必要になる他、主熱交換器
内の一部の改造が必要になる。しかし、この程度の改造
であれば、既に稼働している装置に対しても容易に適用
できる。
交換器とLNG熱交換器との間をガス製品を流通させる
手段の新設に替え、ガスの流通手段に分岐点を設けてガ
ス製品をLNG熱交換器と分岐点との間を流通させるよ
うにすると、主熱交換器内の改造も不要となる。
性であることを考慮して冷熱回収に用いられる窒素ガス
は、高純度の窒素ガス、または酸素含有量の少ない窒素
ガスとする。ここで、酸素含有量の少ない窒素ガスと
は、後述する図1、図2に示す低圧精留塔7の上部から
取り出された低純度の窒素ガスが相当する。
を配慮して、LNGの圧力よりも高い圧力まで圧縮され
た窒素ガスが一般的には用いられている。このため、主
熱交換器を経てLNG熱交換器に導入される窒素ガスが
LNGの圧力より低い場合には、窒素ガスを加圧する必
要があるため、窒素ガス用の圧縮機を備えることが望ま
しい。
段に分岐点を設けて、LNGの冷熱を回収した窒素ガス
を主熱交換器に通す前の窒素ガスに合流させる場合に
は、合流させる前に窒素ガスの温度コントロールが必要
になる場合もあることから、膨張タービン等の調整手段
を備えるのが望ましい。
できる余剰な冷熱を有している場合、例えば、LNG温
度で-50℃程度の冷熱を保有していれば、この冷熱はフ
ロンやブライン等により回収できる。したがって、LN
G熱交換器の下工程にもブライン冷却器等を設けて、回
収した冷熱を空気分離装置における原料空気の予冷やア
ルゴン精製装置におけるアルゴンの冷却に利用するのが
望ましい。
回収を適宜組み合わせることによって、ガス製品用の空
気分離装置に限定することなく、例えば、サテライト基
地で用いられる小規模な気化装置と組み合わせることに
よっても、LNGの冷熱を充分に、かつ確実に回収する
ことが可能になり、有効にガス製品の製造に必要な電力
原単位を低減することができる。
NGの冷熱を回収するガス製品として窒素ガスを用いて
おり、その窒素ガスの圧力をLNGの圧力以上に維持す
るようにしているので、冷熱を回収する際の安全性は十
分確保することができる。
に実施例1、2に基づいて説明する。 (実施例1)図1は、本発明の冷熱利用方法を適用した
ガス製品を製造する空気分離装置の構成例を示す図であ
る。原料空気の供給は大気から50,000Nm3/hとして、空
気圧縮機2に導入して0.5MPaまで圧縮した後、後方冷却
器3に導いて冷却水や排窒素ガスにより製造された冷
水、さらにはブラインなど(図示せず)により冷却し
て、吸着塔4で原料空気中の水分と炭酸ガスを除去し
た。
塔6および低圧精留塔7から取り出された低温の窒素ガ
スや酸素ガス(詳細な条件は後述する)と熱交換するこ
とにより-170℃まで冷却され、高圧精留塔6に導入され
た。
富化された液体空気が分離され、頂部に窒素ガスが分離
された。そして、高圧精留塔6の底部から抜き取られた
酸素富化された液体空気は低圧精留塔7の中間部に導入
された。一方、高圧精留塔6の頂部から抜き取られた窒
素ガスは分岐され、一部は製品として取り出され、一部
は凝縮器8に導入され、低圧精留塔7の底部に分離され
た液体酸素によって凝縮液化し、分岐された後、還流液
として高圧精留塔6の頂部および低圧精留部7の頂部へ
導入された。
された窒素ガスは、1,250Nm3/h、圧力0.45MPaの状態で
あり、主熱交換器5で原料空気と熱交換することにより
大気温近傍まで加温された後、LNG熱交換器12でLN
Gの冷熱を回収し、-140℃まで冷却された。
5の中部に導入され、再度原料空気との熱交換により大
気温度付近まで加温されることにより、LNGの冷熱を
空気分離装置の寒冷として供給した後、製品ガスとして
取り出される。
スを10,000Nm3/h、圧力0.3MPaの状態で、低圧精留塔7
の底部からは酸素ガスを10,000Nm3/h、圧力0.3MPaの状
態で、および低圧精留塔7の上部から排窒素ガスを30,0
00Nm3/h、圧力0.4MPaの状態で取り出した。
料空気と熱交換することにより大気温付近まで加温さ
れ、酸素ガスおよび窒素ガスは必要であれば製品昇圧機
(図示せず)により所定の圧力まで昇圧した後、製品ガ
スとして供給された。排窒素ガスは吸着塔4の再生ガス
や冷水製造用として利用された後、大気へ放出された。
Gは、入り側で500kg/h、圧力0.3MPa、温度-160℃であ
ったが、窒素ガスとの熱交換によって-60℃まで加温さ
れた。ここでは、窒素ガスの圧力を0.3MPa以上になるよ
うに留意したため、窒素ガス側へ可燃性成分が混入する
ことがなく十分安全性が確保された。
器13を設けて、LNGの余剰冷熱をブラインと熱交換す
ることで大気温付近まで加温した後、天然ガス(NG)
として供給できる。このLNGの余剰冷熱を回収した低
温のブラインは、原料空気の予冷などに利用することが
できる。
模の空気分離装置におけるガス製品の製造に必要とする
エネルギー、すなわち、酸素ガス製造での電力原単位
は、分離エネルギー分が0.40kWh/Nm3で、寒冷エネルギ
ー分が0.04kWh/Nm3であり、合計で0.44kWh/Nm3になる
( REFRIGERATION VOL.57、 No.652 p106〜112 参
照)。実施例1の結果によれば、この内の寒冷エネルギ
ー分の0.04kWh/Nm3がLNG冷熱の利用によって削減さ
れることから、電力原単位が約9%低減されたことにな
る。
算すると600Nm3/hとなり、原料空気の供給量50,000Nm
3/hに比べ、約1%と非常に少量であったが、LNGが
本来有するエネルギーは約850kW/t-LNGとし、実施例
1の結果では500kg/hで約400kWの低減がなされており、
その低減効果は約800kW/t-LNGとなり、本来有するエ
ネルギーの90%以上を回収していることとなる。したが
って、本発明の冷熱利用方法を適用すれば、効率的なL
NGの冷熱利用が達成できることが確認できた。 (実施例2)前述の実施例1では、高圧精留塔6の頂部
から1,250Nm3/h、圧力0.45MPaの窒素ガスを取り出して
LNGの冷熱回収を行っていたが、一般的な空気分離装
置、特に液化アルゴンを製造する空気分離装置では高圧
精留塔の頂部から窒素ガスを取り出すことが制限されて
いる。
した窒素ガスは、再度主熱交換器の中部に導入していた
が、稼働中の空気分離装置の主熱交換器にはこのような
ガス導入部は備えられておらず、本発明の冷熱利用方法
を適用するために、主熱交換器の改造、または取替が必
要となる。そのため、実施例2では、稼働中の空気分離
装置の主熱交換器の改造または取替が必要ない場合につ
いて説明する。
ス製品を製造する空気分離装置の他の構成例を示す図で
ある。図2に示す構成例では、主熱交換器5の出側の窒
素ガスの流通路に分岐点Bを設けて、分岐点BからLN
G熱交換器12までの流通手段を備える。それと同時に、
空気分離装置内の主熱交換器5の入り側の窒素ガスの流
通路に分岐点Aを設けて、LNG熱交換器12から分岐点
Aまでの流通手段を備える。
での流通手段には、窒素ガスの圧縮機14とその後方冷却
器15を設けるようにするのが望ましい。また、LNG熱
交換器12から分岐点Aまでの流通手段には、窒素ガスの
温度を調整するため、膨張タービン16を設けるようにす
るのが望ましい。
ガスは、分岐点Aで膨張夕一ビン16から送出される窒素
ガスと合流し、主熱交換器5に導入され、原料空気と熱
交換することにより大気温度近傍まで加温された後、出
側のB点で分岐された。分岐された一部の窒素ガスは、
必要であれば製品昇圧機(図示せず)により所定の圧力
まで昇圧された後、製品窒素ガスとして供給された。
量が1,250Nm3/hとして、窒素圧縮機14で0.4MPaまで昇
圧された後、後方冷却器15で35℃に冷却されてLNG熱
交換器に導入される。LNG熱交換器に導入されるLN
Gは、500kg/h(約600Nm3/h)、圧力0.3MPa、温度-160
℃であり、熱交換した窒素ガスは-140℃まで冷却され
た。この窒素ガスは、膨張タービン16で膨張することに
より-175℃まで調整されて、分岐点Aから主熱交換器5
の入り側の窒素ガスに合流された。
窒素ガスとの熱交換によって-90℃まで加温された。L
NG熱交換器12の下工程にブライン冷却器13を設けて、
LNGの余剰の冷熱をブラインと熱交換することで大気
温付近まで加温した後、NGとして供給された。
明方法を適用するに際し、LNG熱交換器12の設置と、
分岐点BからLNG熱交換器までの流通手段およびLN
G熱交換器から分岐点Aまでの流通手段に関する配管の
改造のみで既設の装置であっても適用が可能になる。
14、後方冷却器15および膨張タービン16が新たに必要と
なるが、これらに導入される窒素ガス量は1,250Nm3/h
と原料空気量の50,000Nm3/hに比べ、2.5%と少量であ
ることから、小規模の設備で対応できる。
なるとしても、その動力は約100kWに留まることが予測
でき、実施例2では300kWの電力低減が可能であった。
すなわち、簡易な設備改造によって、効率的にLNGの
冷熱を利用することにより、ガス酸素の製造に必要な原
単位を0.44kWh/Nm3から0.41kW/Nm3とし、7%低減す
ることができた。
て酸素ガスおよび窒素ガスのみを製造する空気分離装置
について説明したが、液化アルゴンを製造する場合にも
同様の方法を適用することができ、製造電力原単位を低
減することが可能である。
用方法によれば、ガス製品を製造する空気分離装置であ
っても、LNGの冷熱を有効に利用することが可能であ
り、これによりガス製品の製造に必要な電力原単位の低
減が図れる。
の寒冷エネルギー分、すなわち熱交換器の温端揖失およ
び侵入熱に相当する冷熱を原料空気量の約1%程度のL
NG量で賄うことにより、酸素ガスの製造に必要な電力
原単位を5%以上低減することが可能である。また、上
記の原料空気量に対するLNG量は、従来にLNGの冷
熱を有効に利用できなかった小規模の気化装置を有する
サテライト基地の処理規模に相当するものであるから、
このような小規模のLNG気化装置と組み合わせること
も可能になる。
冷熱を回収するための窒素ガス量も原料空気量に比較し
て少量であるため、本発明の空気分離装置およびその冷
熱利用方法を適用するための設備装置の改造は、小規模
で、簡易なものとすることができる。このため、現在稼
働中の装置に対しても容易に適用することができ、電力
原単位の低減に有効である。
造する空気分離装置の構成例を示す図である。
する空気分離装置の他の構成例を示す図である。
るための図である。
Claims (6)
- 【請求項1】原料空気を供給する手段と、供給された原
料空気と取り出されたガス製品とを熱交換する主熱交換
器と、この主熱交換器で冷却された原料空気を取り込ん
で選択的に組成成分を分離する精留塔と、天然ガスの冷
熱を回収するLNG熱交換器と、前記主熱交換器からL
NG熱交換器へガス製品のうち窒素ガスを流通させる手
段、およびLNG熱交換器から主熱交換器まで窒素ガス
を流通させる手段を設けたことを特徴とするガス製品を
製造する空気分離装置。 - 【請求項2】供給された原料空気と取り出されたガス製
品とを熱交換する主熱交換器と、この主熱交換器で冷却
された原料空気を取り込んで選択的に組成成分を分離す
る精留塔を有し、ガス製品を製造する空気分離装置によ
る冷熱利用方法であって、当該装置の出側に天然ガスの
冷熱を回収するLNG熱交換器を設け、前記精留塔から
取り出されたガス製品を前記主熱交換器で原料空気との
熱交換によって加熱し、次いでガス製品のうち窒素ガス
を前記LNG熱交換器に通して冷熱を回収した後、再び
前記主熱交換器に通して原料空気と熱交換してガス製品
とすることを特徴とする空気分離装置の冷熱利用方法。 - 【請求項3】供給された原料空気と取り出されたガス製
品とを熱交換する主熱交換器と、この主熱交換器で冷却
された原料空気を取り込んで選択的に組成成分を分離す
る精留塔を有し、ガス製品を製造する空気分離装置によ
る冷熱利用方法であって、当該装置の出側に天然ガスの
冷熱を回収するLNG熱交換器を設け、前記精留塔から
取り出されたガス製品を前記主熱交換器で原料空気との
熱交換によって加熱し、次いでガス製品のうち窒素ガス
を分岐して一部を前記LNG熱交換器に通して冷熱を回
収した後、前記精留塔から取り出され、かつ主熱交換器
に通す前の窒素ガスに合流させることを特徴とする空気
分離装置の冷熱利用方法。 - 【請求項4】上記LNG熱交換器に通される窒素ガスは
高純度の窒素ガスまたは酸素含有量の少ない窒素ガスで
あって、天然ガス圧力よりも高い圧力を有することを特
徴とする請求項2または3に記載の空気分離装置による
冷熱利用方法。 - 【請求項5】主熱交換器を通して分岐された窒素ガスを
所定圧力まで圧縮または/および所定温度まで冷却して
LNG熱交換器に通すことを特徴とする請求項3に記載
の空気分離装置の冷熱利用方法。 - 【請求項6】LNG熱交換器に通して冷熱を回収した窒
素ガスを所定温度まで冷却して精留塔から取り出された
窒素ガスに合流させることを特徴とする請求項3記載の
空気分離装置の冷熱利用方法。
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JP2001179475A JP3474180B2 (ja) | 2001-06-14 | 2001-06-14 | ガス製品用空気分離装置およびその冷熱利用方法 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7712331B2 (en) | 2006-06-30 | 2010-05-11 | Air Products And Chemicals, Inc. | System to increase capacity of LNG-based liquefier in air separation process |
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2001
- 2001-06-14 JP JP2001179475A patent/JP3474180B2/ja not_active Expired - Fee Related
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