JP3737612B2 - 低純度酸素の製造方法及び装置 - Google Patents
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Description
【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】
図3は、低純度酸素を製造するための従来の空気液化分離装置(低純度酸素製造装置)の一例を示す系統図である。原料空気は、原料空気圧縮機1で約5.5kgf/cm2absに圧縮され、アフタークーラー2で圧縮熱が除去され,予冷設備3で更に必要な温度に冷却されて精製設備4に導入され、原料空気中の水分や二酸化炭素等の不純物が吸着除去されて精製される。不純物が除去された精製原料空気は、主熱交換器5で液化精留により得られた低温流体と熱交換を行って略沸点温度まで冷却された後、経路51から複精留塔6の高圧塔7の下部に導入される。
【0004】
高圧塔7に導入された原料空気は、約5.5〜5.4kgf/cm2absの圧力下で行われる液化精留によって塔底部の酸素富化液化空気と塔上部の窒素ガスとに分離される。高圧塔7の塔底部から経路52に導出された酸素富化液化空気は、過冷器9で冷却され、経路53を通り、弁10で約1.4kgf/cm2absに減圧されて低圧塔8の中段に還流液として導入される。この酸素富化液化空気の量は、高圧塔7に導入される原料空気量に対して58%程度である。
【0005】
高圧塔7の塔上部から経路54に導出された窒素ガスは、一部が経路55に分岐し、残部の窒素ガスは、経路56から低圧塔8の底部に設けられた主凝縮器11に導入され、低圧塔8の底部の液化酸素と熱交換し、該液化酸素を気化するとともに自身は液化する。液化された窒素の一部は、経路57により高圧塔7の頂部に還流液として戻され、残部の液化窒素は、経路58を経て過冷器9で冷却され、経路59を通り、弁12で約1.3kgf/cm2absに減圧された後、低圧塔8の頂部に還流液として導入される。この還流液となる液化窒素の量は、原料空気量に対して33%程度である。
【0006】
低圧塔8では、約1.4〜1.3kgf/cm2absの低圧下で液化精留が行われ、塔底部に酸素、塔頂部に窒素リッチの排ガスがそれぞれ分離する。低圧塔8の底部に分離した酸素は、不純物として略等量の窒素とアルゴンとを含んだ酸素純度93%程度の低純度酸素である。この低純度酸素は、経路60に抜出されて主熱交換器5に導かれ、高圧塔7に導入される原料空気を冷却することによって昇温し、経路61を通って製品低純度酸素ガスGO2として導出される。この製品酸素量は、原料空気量に対して22.3%程度である。また、製品低純度酸素ガス量の0.5%程度の量の液化酸素が低圧塔8の塔底から経路62を通って系外に取出される。
【0007】
低圧塔8の頂部から経路63に導出された排ガスは、過冷器9、経路64を通って主熱交換器5に導かれ、高圧塔7に導入される原料空気と熱交換して昇温し、経路65から排ガスWGとして導出される。
【0008】
前記高圧塔7の頂部から経路54を経て経路55に導出した約5.4kgf/cm2absの中圧窒素ガスは、原料空気に対して約8.5%の量であり、主熱交換器5で昇温されて経路66に導出され、寒冷発生用膨張タービン13の回転力で駆動される昇圧機14で約7.6kgf/cm2absに昇圧される。この昇圧窒素ガスは、冷却器15で昇圧熱が除去され、次いで経路67を通って再び主熱交換器5に導かれ、中間温度まで冷却されて経路68から寒冷発生用膨張タービン13に導入される。この膨張タービン13に導入された昇圧窒素ガスは、約1.3kgf/cm2absまで断熱膨張することにより、装置に必要な寒冷を発生して経路69に導出し、前記経路64から主熱交換器5に導かれる低圧塔8からの排ガスと合流する。
【0009】
このように、窒素ガスを製品として採取しない低純度酸素製造装置において、製品酸素ガスの収率は、低圧塔8における液化窒素の還流量には関係なく、酸素富化液化空気の還流量に支配されるため、高圧塔7の頂部から主凝縮器11を介して低圧塔8の頂部に導入される還流液化窒素の量を低減することができるから、該還流液化窒素の減量分に相当する量の中圧窒素ガスを高圧塔7の頂部から増量して抜出すことができる。
【0010】
この増量して抜出した高圧塔7からの中圧窒素ガスは、製品として液化酸素を採取する場合は、寒冷発生用膨張タービン13に導入して寒冷量を増加させることに利用することができ、また、中圧の製品窒素ガスとしてそのまま取出すことが可能であるが、製品として液化酸素や中圧窒素ガスが不要の場合、図3における従来のプロセスでは、これを有効に利用することができなかった。
【0011】
そこで本発明は、低純度酸素製造装置において、高圧塔上部から得られる中圧窒素ガスを有効に利用し、より経済的に低純度酸素を製造することができる方法及び装置を提供することを目的としている。
【0012】
【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、原料空気を液化精留して低純度酸素を製造する方法において、原料空気を圧縮する工程と、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、冷却した原料空気を高圧塔,主凝縮器及び低圧塔を有する複精留塔に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、前記高圧塔上部に分離した窒素を抜出して前記精製原料空気との熱交換により昇温する工程と、昇温した窒素を膨張させて寒冷を発生させる工程と、前記低圧塔底部に分離した酸素を製品として回収する工程とを含み、前記高圧塔から導出した昇温工程後の窒素の一部又は昇温工程後の窒素を昇圧した昇圧窒素の一部を分岐し、前記圧縮工程後の圧縮原料空気と熱交換させて昇温し、該昇温した窒素を膨張させて低温化した後、前記精製工程前の圧縮原料空気と再び熱交換させて圧縮原料空気を冷却するとともに、前記窒素の膨張による仕事を利用して前記圧縮工程における原料空気の圧縮を行うことを特徴としている。
【0013】
また、本発明の低純度酸素の製造装置は、原料空気を液化精留して低純度酸素を製造する装置において、原料空気を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、冷却した原料空気を導入して液化精留により酸素と窒素とを分離する高圧塔,主凝縮器及び低圧塔を有する複精留塔と、前記高圧塔上部に分離した窒素を抜出して主熱交換器で昇温した後に昇圧する昇圧機と、昇圧された窒素を膨張させて寒冷を発生する寒冷発生用膨張タービンと、低圧塔底部に分離した酸素を製品として回収する酸素回収経路と、前記高圧塔から導出されて主熱交換器で昇温した後の窒素の一部又は前記昇圧機で昇圧した後の窒素の一部を前記原料空気圧縮機を導出した圧縮原料空気と熱交換させる熱交換器と、該熱交換器を導出した窒素を膨張させる動力回収用膨張タービンとを備えるとともに、前記予冷設備は、前記動力回収用膨張タービンを導出した窒素を冷却源として前記圧縮原料空気を予冷する予冷手段を備えていることを特徴とし、さらに、前記原料空気圧縮機と前記動力回収用膨張タービンとが同軸上に連結されていることを特徴としている。
【0014】
【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。なお、前記図3に示した従来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。この低純度酸素製造装置は、前記図3に示す構成の装置に、原料空気圧縮機1と同軸上に連結された動力回収用膨張タービン21と、該膨張タービン21に導入される窒素と原料空気圧縮機1を導出した圧縮原料空気とを熱交換させる第1熱交換器22と、精製設備4に導入する圧縮原料空気を予冷するための予冷設備3に設けられた第2熱交換器23とを設けるとともに、主熱交換器5から経路66に導出した中圧窒素の一部を分岐させて前記第1熱交換器22に導入する経路71と、該第1熱交換器22を導出した中圧窒素を前記動力回収用膨張タービン21に導入する経路72と、該膨張タービン21で膨張降温した窒素を前記第2熱交換器23に導入する経路73と、該第2熱交換器23から窒素を導出する経路74とを付設したものである。なお、本形態例に示す予冷設備3は、水冷却器3aと、冷凍機3bと、前記第2熱交換器23とにより形成しているが、予冷設備3を、例えば水洗冷却塔や冷水発生設備等、他の手段で構成した場合は、水冷却器3a及び冷凍機3bは、省略することもできる。
【0015】
本形態例により、93%の低純度酸素を製造する方法の一例を説明する。まず、原料空気圧縮機1で5.8kgf/cm2absに圧縮された27000Nm3/hの原料空気は、第1熱交換器22で後述の中圧窒素ガスと熱交換して予冷された後、予冷設備3に導入される。この予冷設備3では、水冷却器3aで常温の冷却水により、第2熱交換器23で低温窒素ガスにより、さらに、冷凍機3bで低温冷媒により、順次冷却されて精製設備4の操作温度となって精製設備4に導入される。精製設備4で二酸化炭素や水分等の不純物を除去された精製原料空気は、温度約19℃で主熱交換器5に導入され、露点付近まで冷却されて経路51から高圧塔7の下部に導入され、塔頂の窒素ガスと、塔底の酸素富化液化空気とに分離される。
【0016】
高圧塔7の底部から経路52に抜出された15428Nm3/hの酸素富化液化空気は、過冷器9で冷却され、経路53を通り、弁10で1.41kgf/cm2absに減圧されて低圧塔8の中段に導入される。
【0017】
また、高圧塔7の頂部から経路54に抜出された中圧窒素ガスは、その一部4334Nm3/hが経路55に分岐して主熱交換器5に導入され、残部の中圧窒素ガスは、経路56を通って主凝縮器11に導入され、低圧塔8の底部の液化酸素と熱交換して液化される。液化した液化窒素の一部は、経路57を通って高圧塔7に還流され、残部の6937Nm3/hの液化窒素は、経路58を通って過冷器9で冷却され、経路59を通り、弁12で1.333kgf/cm2absに減圧されて低圧塔8の頂部に導入される。
【0018】
低圧塔8では更に液化精留が行われ、塔底部に液化酸素が、塔頂部に窒素リッチの排ガスが分離される。塔底部に分離して主凝縮器11で前記中圧窒素ガスと熱交換を行って蒸発した酸素純度93%,5969Nm3/hの酸素ガスは、経路60に抜出されて主熱交換器5に導入され、原料空気との熱交換により昇温した後、経路61から製品低純度酸素ガスGO2として回収される。また、低圧塔8の塔底部からは、経路62により32Nm3/hの液化酸素が取出される。
【0019】
低圧塔8の塔頂に分離した16364Nm3/hの排ガスは、経路63、過冷器9を通り、経路64で後述の寒冷用窒素と合流して主熱交換器5で昇温した後、排窒素ガスWGとして経路65から導出される。
【0020】
前記高圧塔7の上部から導出され、経路54,55を経て主熱交換器5に導入された5.4kgf/cm2abs,4334Nm3/hの中圧窒素ガスは、主熱交換器5で原料空気との熱交換によって17℃に昇温されて導出し、その一部2317Nm3/hは、経路66を通り、寒冷発生用膨張タービン13と同軸上に連結された昇圧機14で7.62kgf/cm2absに昇圧される。昇圧後の窒素は、冷却器15で19℃に冷却されて経路67から主熱交換器5に導入され、中間部の経路68から−118.5℃で導出されて寒冷発生用タービン13に導入される。寒冷発生用タービン13で1.333kgf/cm2absに断熱膨張して寒冷を発生し、−171℃に降温した窒素は、経路69を通り、前記経路64を通る低圧塔8からの排ガスに合流し、主熱交換器5を経て経路65に導出される。
【0021】
主熱交換器5で昇温されて導出し、経路66から経路71に分岐した温度17℃,圧力5.67kgf/cm2abs,2017Nm3/hの中圧窒素ガスは、前記第1熱交換器22に導かれ、圧縮原料空気との熱交換によって90℃に昇温した後、経路72を通って動力回収用膨張タービン21に導入され、断熱膨張して1.23kgf/cm2abs,−16℃となって経路73に導出される。このときの中圧窒素ガスの膨張による仕事は、原料空気を圧縮する原料空気圧縮機1の動力の一部として利用される。
【0022】
動力回収用膨張タービン21で膨張して低温となった窒素ガスは、経路73から前記第2熱交換器23に導入され、圧縮原料空気に冷熱を与えて経路74から導出される。
【0023】
本形態例における酸素の原単位は0.365kwh/hであり、図3に示す従来例において同量の原料空気を用い、同量,同純度,同圧の製品低純度酸素を得る場合の原単位0.378kwh/hに比較して、3.6%の原単位の向上が図られた。
【0024】
このように、製品窒素を併産しない低純度酸素製造装置において、高圧塔7の上部から得られる中圧窒素ガスを増量して取出し、該増量分の中圧窒素ガスを動力回収用膨張タービン21で断熱膨張させ、該断熱膨張による仕事を原料空気の圧縮に利用するとともに、動力回収用膨張タービン21で膨張して低温となった低温窒素を圧縮原料空気の冷却に用いることにより、原料空気の圧縮に要するエネルギーや、圧縮原料空気の冷却に要するエネルギーを低減させることができ、製品低純度酸素ガスの原単位を低減できる。また、第1熱交換器22で昇温させてから動力回収用膨張タービン21に導入することにより、該タービン21における寒冷発生効率の向上が図れる。
【0025】
なお、原料空気圧縮機1と動力回収用膨張タービン21とを同軸上に連結せず、中圧窒素ガスの膨張による仕事で発電を行い、原料空気圧縮機1の駆動用電力として間接的に利用することもできる。さらに、低温窒素による圧縮原料空気の予冷は、前記第2熱交換器23による直接的な熱交換の他、低温窒素で冷却水を冷却して間接的に圧縮原料空気を予冷することもできる。また、少量の中圧窒素を製品として採取することも可能である。
【0026】
図2は、本発明の他の形態例を示す系統図である。本形態例は、第1熱交換器22を経て動力回収用膨張タービン21に導入される窒素ガスを、昇圧機14で昇圧した昇圧窒素の一部に代えたものである。すなわち、前記形態例では昇圧機14の導入側の経路66に分岐経路71を設けたのに対し、本形態例では、昇圧機14の導出側の経路75に分岐経路76を設け、昇圧機14で昇圧した昇圧窒素の一部を、経路76を通して第1熱交換器22に導入する。なお、その他の構成は、図1の形態例と同一であるから、主要構成要素に同一符号を付し、その説明は省略する。
【0027】
経路66から昇圧機14に導入され、6.47kgf/cm2absに昇圧されて経路75に導出した40℃,4282Nm3/hの昇圧窒素ガスの一部1875Nm3/hは、経路75から経路76に分岐して第1熱交換器22に導かれ、圧縮原料空気との熱交換により90℃に昇温し、経路72を通って動力回収用膨張タービン21に導入される。
【0028】
動力回収用膨張タービン21で断熱膨張することにより1.25kgf/cm2abs,−27℃となった窒素ガスは、経路73を通って第2熱交換器23に導入され、ここで圧縮原料空気に冷熱を与えて経路74から導出される。
【0029】
このように、動力回収用膨張タービン21に導入する中圧窒素ガスとして、より圧力の高い窒素を使用することにより、窒素ガスの量が少ない場合、例えば、高圧塔7から抜出す中圧窒素量が少ない場合や寒冷発生用タービン13で大量の寒冷を発生させる必要がある場合でも、十分な量の動力を回収することができ、図1の形態例に比べて少ない窒素量で同等の動力節減を図ることができる。
【0030】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高圧塔上部に分離した中圧窒素ガスが有するエネルギーを有効に利用することができ、製品低純度酸素の動力原単位を低減できる。特に、中圧窒素を製品として採取しない装置では、その分の中圧窒素をエネルギー回収用に使用することができるので、より効率よく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。
【図3】 従来の低純度酸素製造装置の一例を示す系統図である。
【符号の説明】
1…原料空気圧縮機、3…予冷設備、3a…水冷却器、3b…冷凍機、4…精製設備、5…主熱交換器、6…複精留塔、7…高圧塔、8…低圧塔、9…過冷器、11…主凝縮器、13…寒冷発生用膨張タービン、14…昇圧機、15…冷却器、21…動力回収用膨張タービン、22…第1熱交換器、23…第2熱交換器
Claims (3)
- 原料空気を液化精留して低純度酸素を製造する方法において、原料空気を圧縮する工程と、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、冷却した原料空気を高圧塔,主凝縮器及び低圧塔を有する複精留塔に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、前記高圧塔上部に分離した窒素を抜出して前記精製原料空気との熱交換により昇温する工程と、昇温した窒素を膨張させて寒冷を発生させる工程と、前記低圧塔底部に分離した酸素を製品として回収する工程とを含み、前記高圧塔から導出した昇温工程後の窒素の一部又は昇温工程後の窒素を昇圧した昇圧窒素の一部を分岐し、前記圧縮工程後の圧縮原料空気と熱交換させて昇温し、該昇温した窒素を膨張させて低温化した後、前記精製工程前の圧縮原料空気と再び熱交換させて圧縮原料空気を冷却するとともに、前記窒素の膨張による仕事を利用して前記圧縮工程における原料空気の圧縮を行うことを特徴とする低純度酸素の製造方法。
- 原料空気を液化精留して低純度酸素を製造する装置において、原料空気を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、冷却した原料空気を導入して液化精留により酸素と窒素とを分離する高圧塔,主凝縮器及び低圧塔を有する複精留塔と、前記高圧塔上部に分離した窒素を抜出して主熱交換器で昇温した後に昇圧する昇圧機と、昇圧された窒素を膨張させて寒冷を発生する寒冷発生用膨張タービンと、低圧塔底部に分離した酸素を製品として回収する酸素回収経路と、前記高圧塔から導出されて主熱交換器で昇温した後の窒素の一部又は前記昇圧機で昇圧した後の窒素の一部を前記原料空気圧縮機を導出した圧縮原料空気と熱交換させる熱交換器と、該熱交換器を導出した窒素を膨張させる動力回収用膨張タービンとを備えるとともに、前記予冷設備は、前記動力回収用膨張タービンを導出した窒素を冷却源として前記圧縮原料空気を予冷する予冷手段を備えていることを特徴とする低純度酸素の製造装置。
- 前記原料空気圧縮機と前記動力回収用膨張タービンとが、同軸上に連結されていることを特徴とする請求項2記載の低純度酸素の製造装置。
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