JP4230213B2 - 空気液化分離装置及び方法 - Google Patents
空気液化分離装置及び方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4230213B2 JP4230213B2 JP2002372275A JP2002372275A JP4230213B2 JP 4230213 B2 JP4230213 B2 JP 4230213B2 JP 2002372275 A JP2002372275 A JP 2002372275A JP 2002372275 A JP2002372275 A JP 2002372275A JP 4230213 B2 JP4230213 B2 JP 4230213B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- oxygen
- air
- low
- pressure
- liquefied
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
- F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
- F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
- F25J3/04151—Purification and (pre-)cooling of the feed air; recuperative heat-exchange with product streams
- F25J3/04187—Cooling of the purified feed air by recuperative heat-exchange; Heat-exchange with product streams
- F25J3/04218—Parallel arrangement of the main heat exchange line in cores having different functions, e.g. in low pressure and high pressure cores
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
- F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
- F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
- F25J3/04248—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion
- F25J3/04284—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams
- F25J3/04309—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams of nitrogen
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
- F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
- F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
- F25J3/04406—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using a dual pressure main column system
- F25J3/04418—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using a dual pressure main column system with thermally overlapping high and low pressure columns
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
- F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
- F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
- F25J3/04624—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using integrated mass and heat exchange, so-called non-adiabatic rectification, e.g. dephlegmator, reflux exchanger
- F25J3/0463—Simultaneously between rectifying and stripping sections, i.e. double dephlegmator
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J2200/00—Processes or apparatus using separation by rectification
- F25J2200/04—Processes or apparatus using separation by rectification in a dual pressure main column system
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J2200/00—Processes or apparatus using separation by rectification
- F25J2200/34—Processes or apparatus using separation by rectification using a side column fed by a stream from the low pressure column
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J2200/00—Processes or apparatus using separation by rectification
- F25J2200/50—Processes or apparatus using separation by rectification using multiple (re-)boiler-condensers at different heights of the column
- F25J2200/54—Processes or apparatus using separation by rectification using multiple (re-)boiler-condensers at different heights of the column in the low pressure column of a double pressure main column system
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)
Description
【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
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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002372275A JP4230213B2 (ja) | 2002-12-24 | 2002-12-24 | 空気液化分離装置及び方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002372275A JP4230213B2 (ja) | 2002-12-24 | 2002-12-24 | 空気液化分離装置及び方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004205076A JP2004205076A (ja) | 2004-07-22 |
JP4230213B2 true JP4230213B2 (ja) | 2009-02-25 |
Family
ID=32810926
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002372275A Expired - Fee Related JP4230213B2 (ja) | 2002-12-24 | 2002-12-24 | 空気液化分離装置及び方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4230213B2 (ja) |
Families Citing this family (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100609168B1 (ko) | 2004-11-02 | 2006-08-02 | 엘지전자 주식회사 | 캐스캐이드 냉동사이클 |
KR100609169B1 (ko) | 2004-11-02 | 2006-08-02 | 엘지전자 주식회사 | 캐스캐이드 냉동사이클 |
FR2895069B1 (fr) * | 2005-12-20 | 2014-01-31 | Air Liquide | Appareil de separation d'air par distillation cryogenique |
JP5032407B2 (ja) * | 2008-07-24 | 2012-09-26 | 大陽日酸株式会社 | 窒素製造方法及び装置 |
JP5688784B2 (ja) * | 2008-07-31 | 2015-03-25 | 千代田化工建設株式会社 | 加熱モジュール |
FR2953915B1 (fr) * | 2009-12-11 | 2011-12-02 | Air Liquide | Procede et appareil de separation d'air par distillation cryogenique |
JP5692709B2 (ja) * | 2013-05-01 | 2015-04-01 | 千代田化工建設株式会社 | 冷却モジュール |
-
2002
- 2002-12-24 JP JP2002372275A patent/JP4230213B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2004205076A (ja) | 2004-07-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5425100B2 (ja) | 低温空気分離方法及び装置 | |
CN100592013C (zh) | 利用从液化天然气中提取的冷量生产液氧的空气分离方法 | |
JPH06117753A (ja) | 空気の高圧低温蒸留方法 | |
JPH0447234B2 (ja) | ||
JPH07109348B2 (ja) | 空気の高圧低温蒸留方法及び装置 | |
US5582034A (en) | Air separation method and apparatus for producing nitrogen | |
US5170630A (en) | Process and apparatus for producing nitrogen of ultra-high purity | |
JPH06207775A (ja) | 一酸化炭素のない窒素を製造するための低温空気分離方法 | |
JPH06257939A (ja) | 空気の低温蒸留方法 | |
JP3652385B2 (ja) | 低濃度の重質不純物を含有するよう供給圧力にてガス状酸素生成物を製造する方法 | |
JP4230213B2 (ja) | 空気液化分離装置及び方法 | |
JP3190016B2 (ja) | 高圧窒素を製造する原料空気の低温蒸留方法 | |
JP2007147113A (ja) | 窒素製造方法及び装置 | |
JP3737611B2 (ja) | 低純度酸素の製造方法及び装置 | |
JP4401999B2 (ja) | 空気分離方法および空気分離装置 | |
JP2000329456A (ja) | 空気分離方法及び装置 | |
AU705278B2 (en) | Process and installation for the production of oxygen by cryogenic distillation | |
JP2001165566A (ja) | 空気分離 | |
JP3436398B2 (ja) | 窒素と酸素を製造する方法及び設備 | |
JP4230094B2 (ja) | 窒素製造方法及び装置 | |
JP5027173B2 (ja) | アルゴン製造方法およびその装置 | |
JP4150107B2 (ja) | 窒素製造方法及び装置 | |
JP4577977B2 (ja) | 空気液化分離方法及び装置 | |
JP3203181B2 (ja) | 窒素製造装置に付随する酸素製造方法 | |
JP2920392B2 (ja) | 空気液化分離装置における液化窒素の過冷却方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20051214 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20080221 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080325 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080526 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20081111 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20081203 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4230213 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111212 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111212 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111212 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111212 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121212 Year of fee payment: 4 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121212 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121212 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131212 Year of fee payment: 5 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |