JP4594360B2 - 深冷空気液化分離装置およびその運転方法 - Google Patents

深冷空気液化分離装置およびその運転方法 Download PDF

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Description

本発明は、深冷空気液化分離装置およびその運転方法に係り、より詳しくは、窒素、酸素ガス等を製造するガス製造運転から液体窒素、酸素等を製造する液製造運転に切換えるに際して、液化熱交換器の再冷却運転を行う必要がなく、切換え開始後短時間のうちに液製造運転に移行することを可能ならしめる深冷空気液化分離装置およびその運転方法に関するものである。
鉄鋼業等の酸素や窒素を大量に消費する工業分野においては、酸素や窒素の供給源として深冷空気液化分離装置が使用されている。このような深冷空気液化分離装置の中に、電力コストが高い昼間には窒素、酸素ガス等を製造するガス製造運転を行う一方、電力コストが安い夜間になると切換えて、液体窒素、酸素等を製造する液製造運転に移行できるようにした深冷空気液化分離装置がある。
以下、従来例に係る一般的な液化装置付きの深冷空気液化分離装置を、その系統図の図５を参照しながら説明する。即ち、一般的な液化装置付きの深冷空気液化分離装置は、空気ろ過器５１から吸込まれ、原料空気圧縮機５２で圧縮されると共に、水洗冷却塔５３で冷却された原料空気と、精留塔５５から出た製品窒素と製品酸素とを熱交換させる熱交換器（以下、主熱交換器という）５４と、液化装置６３とを備えている。この液化装置６３は、前記精留塔５５から出て主熱交換器５４で常温に戻された製品窒素の一部を昇圧するための循環窒素圧縮機６２、昇圧された窒素を液化するための熱交換器６７、前記精留塔５５から出て主熱交換器５４で常温に戻されると共に、酸素圧縮機６１で圧縮された製品酸素の一部を液化するための熱交換器７７、寒冷を発生するための膨張タービン７２，７３等から構成されている。
このような液化装置付きの深冷空気液化分離装置は、精留塔５５から主熱交換器５４を通って排出されるガス酸素、ガス窒素の一部を、液化装置６３を起動することによって液化して、液体酸素と、液体窒素を製造している。液化装置６３の起動とは、循環窒素圧縮機６２、膨張タービン７２，７３の起動、および熱交換器６７，７７における熱交換の開始を意味する。この特性を利用して、電力コストが安い夜間は循環窒素圧縮機６２を起動してガス酸素、ガス窒素の一部を液化備蓄し、電力コストが高い昼間は循環窒素圧縮機６２の運転を停止してガス製品のみを製造する運転を行っている。また、熱交換器６７，７７は、液化装置６３が運転されていない昼間では、次の運転のために低温状態に保持された待機状態になっている。
ところで、液化装置６３の膨張タービン７２，７３にオイルベアリング式の軸受が使用されている場合には、運転中は軸受の温度上昇を防止するために、軸受用のオイルを軸受とオイルクーラーとの間で循環させて軸受の温度上昇を防止している。また、液化装置６３の運転停止中においても、オイルが固化したりしないように軸受用のオイルを軸受とオイルクーラーとの間で循環させて軸受の温度低下を防止するようにしている。ところが、膨張タービン７２，７３の運転停止中においても液化装置６３が低温状態に保持されているため、特に冷却水の温度が低い冬季では、軸受の温度が次第に低下し、これに伴ってオイルの温度も相当低下する。この状態で運転すると、軸受にかじりが生じたり、振動が発生したりするため、膨張タービン７２や７３を起動するに際して、オイルや軸受を所定の温度になるまで加温する必要がある。
そのため、液化装置６３の膨張タービン７２，７３を起動する際には、予め低負荷状態による暖気運転を行い、オイルや軸受が所定の温度になるまで加温していた。この暖気運転の所要時間は、冷却水の温度、停止時間、あるいはタービンの大きさ等により相違するが、１時間かかることもあるため、ガスの液化ができないのに加えて、循環窒素圧縮機の運転に要する電力が無駄になるという問題があった。そこで、水洗冷却塔から導出される加温された約５０℃の温排水をオイルクーラーに導入してオイルを約３０℃に加温し、加温したオイルを軸受けに導入して軸受を加温した後に、膨張タービン７２，７３を起動するようにしている。この場合、温排水を利用するため、初期設備コストを要するものの、ランニングコストがほとんど掛からないという利点がある。また、これにより、膨張タービン７２，７３の起動に要する所要時間を大幅に短縮できると記載されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−２９２９８６号公報
上記従来例に係る液化装置付きの深冷空気液化分離装置によれば、タービンの起動時間の短縮により、ガス製造運転から液製造運転への移行時間が短縮されるため、それなりに優れていると考えられる。しかしながら、この従来例に係る液化装置付きの深冷空気液化分離装置には後述するような解決すべき課題がある。
上記従来例に係る液化装置付きの深冷空気液化分離装置では、運転停止中の液化装置は低温状態に保持される。しかしながら、外部からの入熱を完全に遮断することはほぼ不可能であり、１０〜１４時間に及ぶ昼間の運転停止中に、外部からの入熱により熱交換器の温度が数十℃は上昇する。また、熱交換器内での熱伝導により、通常運転時は常温である温端側が、運転停止中にマイナス数十℃に冷却される。
このような状態で、液化装置が起動されるため、起動直後は低温流体が低温のまま放出され、常温ラインの配管が破損する可能性があるという問題、運転停止中における入熱により昇温した熱交換器を再冷却しなければならないという問題、および運転停止中における入熱による熱交換器の膨張と収縮の繰り返し、つまり熱ひずみの繰り返しにより熱交換器が疲労破損し、メンテナンスコストが嵩むという問題が残っている。前記熱交換器の再冷却所要時間は、季節、この液化装置の停止時間、熱交換器の大きさ（容量）等によって相違するが、およそ０．５から１．０時間である。従って、およそ０．５から１．０時間の熱交換器の再冷却運転中は液体窒素、酸素等を製造することができないから、好ましくない。
従って、本発明の目的は、窒素、酸素ガス等を製造するガス製造運転から液体窒素、酸素等を製造する液製造運転に切換えるに際して、熱交換器の再冷却運転を行う必要がなく、切換え時に低温流体が低温のまま常温ラインに放出されることもなく、熱交換器に繰り返し応力を与えることもなく、短時間のうちに液製造運転に移行することを可能ならしめる深冷空気液化分離装置およびその運転方法を提供することである。
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係る深冷空気液化分離装置が採用した手段は、窒素ガス、酸素ガスを製造するガス製造運転と、窒素ガス、酸素ガス並びに液体窒素及び／又は液体酸素を製造する液製造運転とに切換え操作される深冷空気液化分離装置において、原料空気圧縮機と、この原料空気圧縮機で圧縮された原料空気を予冷する予冷ユニットと、この予冷ユニットで予冷された原料空気から水分・炭酸ガスを除去して精製する吸着塔ユニットと、製品として生成される窒素ガス、酸素ガスが冷却媒体として導入され、前記吸着塔ユニットで精製された原料空気の一部を冷却する主熱交換器と、前記吸着塔ユニットで精製された原料空気の残りを前記液製造運転時に圧縮する昇圧圧縮機と、前記窒素ガスの生成に伴い生成する廃ガスが冷却媒体として導入され、前記昇圧圧縮機で昇圧された原料空気の一部を冷却する液化熱交換器と、前記昇圧圧縮機で圧縮された原料空気の残りの一部を膨張させて寒冷を発生させる高圧膨張タービンと、前記主熱交換器からの原料空気と前記液化熱交換器からの原料空気とが導入され、該原料空気を窒素、酸素に精留分離する複式精留塔と、前記ガス製造運転中は開弁され、前記液製造運転中は閉弁される第１開閉弁が介装され、前記吸着塔ユニットで精製された原料空気の残りを前記液化熱交換器に導入する第１空気導入ラインと、前記ガス製造運転中は開弁され、前記液製造運転中は閉弁される第２開閉弁が介装され、前記液化熱交換器から出た原料空気を前記複式精留塔に導入する第２空気導入ラインと、前記ガス製造運転中は閉弁され、前記液製造運転中は開弁される第３開閉弁が介装され、前記高圧膨張タービンの圧縮機側から出た原料空気を前記液化熱交換器に導入する第３空気導入ラインと、前記ガス製造運転中は閉弁され、前記液製造運転中は開弁される第４開閉弁が介装され、前記液化熱交換器から出た原料空気を前記高圧膨張タービンの膨張機側に導入する第４空気導入ラインと、前記液製造運転に際して前記第４空気導入ラインから導入され、前記高圧膨張タービンの膨張機で膨張されて寒冷を発生した原料空気を前記複式精留塔に導入する第５空気導入ラインと、を備えたことを特徴とするものである。
本発明の請求項２に係る深冷空気液化分離装置の運転方法が採用した手段は、原料空気を原料空気圧縮機で圧縮し、前記原料空気圧縮機から出た原料空気を予冷ユニットで予冷し、予冷した原料空気を水分・炭酸ガスを除去する吸着塔ユニットに導入し、この吸着塔ユニットから出た原料空気の一部を主熱交換器に導入して、複式精留塔からの製品として生成される窒素ガス、酸素ガスとの熱交換によって冷却する一方、残りの原料空気を液化熱交換器に導入して前記複式精留塔からの廃ガスとの熱交換によって冷却し、前記主熱交換器から出た原料空気と前記液化熱交換器から出た原料空気とを前記複式精留塔に導入して窒素ガス、酸素ガスを製造するガス製造運転と、前記吸着塔ユニットから出た原料空気の一部を前記主熱交換器に導入して、前記複式精留塔からの製品として生成される窒素ガス、酸素ガスとの熱交換によって冷却する一方、残りの原料空気を昇圧圧縮機で昇圧させた後に二分し、二分した一方の原料空気を前記液化熱交換器に導入して前記複式精留塔からの廃ガスとの熱交換によって冷却し、二分した他方の原料空気を高圧膨張タービンの圧縮機で圧縮して前記液化熱交換器に導入し、この液化熱交換器から出た原料空気を前記高圧膨張タービンの膨張機で膨張させた後に前記複式精留塔に導入すると共に、前記主熱交換器から出た原料空気、および前記液化熱交換器から出た前記二分した前記一方の原料空気を前記複式精留塔に導入して、窒素ガス、酸素ガス並びに液体窒素及び／又は液体酸素を製造する液製造運転とを、自動切換することを特徴とするものである。
本発明の請求項１に係る深冷空気液化分離装置、請求項２に係る深冷空気液化分離装置の運転方法では、深冷空気液化分離装置のガス製造運転においては、吸着塔ユニットで精製された原料空気の一部が主熱交換器に導入されると共に、主熱交換器から出た圧縮空気が複式精留塔に供給される。また、これと並行して、吸着塔ユニットで精製された原料空気の残りが第１空気導入ラインから液化熱交換器に導入され、この液化熱交換器から出た原料空気が第２空気導入ラインから複式精留塔に導入される。
一方、深冷空気液化分離装置の液製造運転においては、吸着塔ユニットで精製された原料空気の一部が主熱交換器に導入されると共に、この主熱交換器から出た圧縮空気が複式精留塔に供給される。また、これと並行して、昇圧圧縮機で圧縮された残りの原料空気の一部が液化熱交換器に導入され、この液化熱交換器を出た原料空気が複式精留塔に導入される。そして、昇圧圧縮機で圧縮された残りの原料空気の一部の残りが高圧膨張タービンの圧縮機側に導入され、この圧縮機側から出た原料空気が第３空気導入ラインから液化熱交換器に導入され、この液化熱交換器を出た原料空気が第４空気導入ラインから高圧膨張タービンの膨張機側に導入され、この高圧膨張タービンでの膨張により発生した寒冷が複式精留塔に導入される。
本発明の請求項１に係る深冷空気液化分離装置、請求項２に係る深冷空気液化分離装置の運転方法では、上記のとおり、ガス製造運転と液製造運転とが交互に繰り返されるのであるが、液化熱交換器は液製造運転中のみならず、ガス製造運転中も作動されるように構成されている。従って、本発明の請求項１に係る深冷空気液化分離装置、請求項２に係る深冷空気液化分離装置の運転方法によれば、下記のとおりの効果を得ることができる。
（１）ガス製造運転中の液化熱交換器のガス出入り口間の温度分布は、液製造運転中における温度分布とほぼ同等に保持されていて、ガス製造運転から液製造運転に切換えるに際して冷却運転をする必要がないため、極めて短時間のうちにガス製造運転中の深冷空気液化分離装置を液製造運転に移行させることができる。これにより、実質的な液製造運転時間が増加し、液体酸素・窒素等の生産性が向上するため、それら液体酸素・窒素等のコスト低減に大いに寄与することができる。
（２）ガス製造運転中の液化熱交換器のガス出入り口間の温度分布は、液製造運転中における温度分布とほぼ同等に保持されている。従って、温端側がマイナスの温度になっているということがなく、液製造運転への切換え時に低温流体が低温のまま放出されることがないため、常温ラインの配管が損傷するという危険性がない。
（３）液化熱交換器は収縮と膨張とを繰り返すことがないため、液化熱交換器の耐久寿命が向上する。
また、本発明の請求項１に係る深冷空気液化分離装置によれば、液製造運転に際して、主熱交換器から出た原料空気の一部が複式精留塔に導入されるが、液製造運転に切換えられると、前記主熱交換器から出た原料空気の一部と共に、短時間のうちに高圧膨張タービンの膨張機で膨張されて寒冷を発生した原料空気が第５空気導入ラインを介して複式精留塔に導入される。従って、液製造運転への切換後、短時間のうちに効率よく液体窒素、液体酸素等を製造することができ、液製造運転のための稼動率が向上するから、低コストでより大量の液体窒素、液体酸素等を生産することができる。
以下、本発明の運転方法を実施する、実施の形態１乃至４に係る深冷空気液化分離装置を、その模式的系統図の図１乃至４を順次参照しながら説明する。先ず、本発明の実施の形態１に係る深冷空気液化分離装置を、その系統図の図１を参照しながら説明する。
図１に示す符号１は、本発明の形態１に係る深冷空気液化分離装置であって、この本発明の形態１に係る深冷空気液化分離装置１は、主として、原料空気圧縮機２と、予冷ユニット３ａと、吸着塔ユニット３ｂと、主熱交換器４と、昇圧圧縮機９ｂと、液化熱交換器７と、高圧膨張タービン１２と、複式精留塔１５と、これらに付随する付帯設備とから構成されている。
より詳しくは、深冷空気液化分離装置１は、原料空気圧縮機２で圧縮された原料空気を、主熱交換器４や液化熱交換器７に供給する空気供給元ライン３を備えている。この空気供給元ライン３には、原料空気圧縮機２側から下流側に向って順に、この原料空気圧縮機２で圧縮された原料空気を予冷するための予冷ユニット３ａが介装されると共に、この予冷ユニット３ａで１０〜４０℃に予冷された原料空気から水分・炭酸ガスを除去して精製する吸着塔ユニット３ｂが介装されている。この吸着塔ユニット３ｂは、交互に使用される第１吸着塔３ｂ１と、第２吸着塔３ｂ２とが並列に配設されてなる構成になっている。
なお、水分・炭酸ガスを除去するために、例えば第１吸着塔３ｂ１に原料空気が導入されている間に、第２吸着塔３ｂ２の吸着剤を再生するために、この第２吸着塔３ｂ２には、図示しないヒータで加熱したパージガスが供給され、水分・炭酸ガスを吸着した吸着剤が再生されるように構成されている。
前記空気供給元ライン３の吸着塔ユニット３ｂより先端側は、主熱交換器４に連通しており、前記吸着塔ユニット３ｂにより精製された原料空気の一部が主熱交換器４に導入されるように構成されている。そして、前記主熱交換器４の出口から、上部塔１５ａと下部塔１５ｂとからなる複式精留塔１５の前記下部塔１５ｂに空気供給先ライン５が連通しており、前記空気供給元ライン３から導入されて液化点付近の温度になるまで冷却された原料空気が下部塔１５ｂに導入されるようになっている。
前記空気供給元ライン３の吸着塔ユニット３ｂと主熱交換器４との間から、液化熱交換器７に連通する第１空気導入ライン６が分岐している。この第１空気導入ライン６には、ガス製造運転中は開弁され、液製造運転中は閉弁される第１開閉弁Ｖ１が介装されており、前記吸着塔ユニット３ｂで精製された原料空気の残り（前記吸着塔ユニット３ｂから出た原料空気から前記主熱交換器４に導入された原料空気を差し引いた量）が液化熱交換器７に導入されるようになっている。そして、前記液化熱交換器７の出口から前記空気供給先ライン５の前記主熱交換器５と前記下部塔１５ｂとの間に、第２空気導入ライン８が連通している。この第２空気導入ライン８には、ガス製造運転中は開弁され、液製造運転中は閉弁される第２開閉弁Ｖ２が介装されており、前記第１空気導入ライン６から導入された原料空気が液化点近傍の温度になるまで冷却されて下部塔１５ｂに導入されるようになっている。
前記第１空気導入ライン６の空気供給元ライン３との分岐部と、前記第１開閉弁Ｖ１との間から、液化熱交換器７に連通する空気導入元ライン９が分岐している。この空気導入元ライン９には、分岐側から液化熱交換器７に向って順に、入側開閉弁９ａと、この入側開閉弁９ａを通過した原料空気を３．０ＭＰａＧまで昇圧させる昇圧圧縮機９ｂが介装されている。そして、液化熱交換器７から前記下部塔１５ｂの前記空気供給先ライン５の連通位置の上側に、出側開閉弁１０ａが介装され、前記空気導入元ライン９から導入されると共に、液化熱交換器７により冷却されて液化した原料空気を導入する空気導入先ライン１０が連通している。
前記空気導入元ライン９の昇圧圧縮機９ｂと、前記液化熱交換器７との間から第３空気導入ライン１１が分岐しており、この第３空気導入ライン１１は高圧膨張タービン１２の圧縮機１２ａを介して、前記第１空気導入ライン６の第１開閉弁Ｖ１と液化熱交換器７との間に連通している。この第３空気導入ライン１１の圧縮機１２ａ側と、第１空気導入ライン６の連通部との間に、ガス製造運転中は閉弁され、液製造運転中は開弁される第３開閉弁Ｖ３が介装されており、圧縮機１２ａで約５．０ＭＰａＧまで昇圧された後、液化熱交換器７に導入されるようになっている。
前記第１空気導入ライン６から導入された原料空気を前記第２空気導入ライン８に導く液化熱交換器７内の熱交換流路７ａの途中から、高圧膨張タービン１２の膨張機１２ｂに連通する第４空気導入ライン１３が分岐している。この第４空気導入ライン１３には、ガス製造運転中は閉弁され、液製造運転中は開弁される第４開閉弁Ｖ４が介装されている。
そして、前記高圧膨張タービン１２の膨張機１２ｂの出口は、第５空気導入ライン１４を介して前記空気供給先ライン５の前記第２空気導入ライン８の連通部と下部塔１５ｂとの間に連通している。そのため、液化熱交換器７で約−１００℃に冷却された原料空気が前記第４空気導入ライン１３から導入されると、前記膨張機１２ｂで約０．４５ＭＰａＧまで膨張されて寒冷を発生した原料空気が第５空気導入ライン１４を介して下部塔１５ｂに導入される。なお、前記第１開閉弁Ｖ１、第２開閉弁Ｖ２、第３開閉弁Ｖ３、第４開閉弁Ｖ４、入側開閉弁９ａ、および出側開閉弁１０ａは、ガス製造運転と、液製造運転の切換えに際して、遠隔操作により開閉操作される自動開閉弁である。
前記複式精留塔１５の下部塔１５ｂの頂部に液体窒素供給ライン１６が設けられると共に、前記複式精留塔１５の上部塔１５ａの底部に液体酸素供給ライン１７が設けられている。また、前記複式精留塔１５の上部塔１５ａの頂部に窒素ガス供給ライン１８が、下部に酸素ガス供給ライン１９が設けられると共に、上下方向の中程より上方位置に廃ガス排出ライン１８ａが設けられている。なお、複式精留塔１５の上部塔１５ａの直下であって、かつ下部塔１５ｂ内の上部に設けられてなるものは、主凝縮器１５ｃである。
以下、本発明の実施の形態１に係る深冷空気液化分離装置１のガス製造運転と液製造運転について説明する。先ず、深冷空気液化分離装置１のガス製造運転について説明する。
即ち、原料空気圧縮機２で圧縮されて約９０℃に昇温した原料空気が予冷ユニット３ａで１０〜４０℃に予冷されると共に、予冷された原料空気が吸着塔ユニット３ｂに導入され、水分・炭酸ガスが除去されて精製される。そして、精製された原料空気の一部が主熱交換器４に導入され、液化点付近の温度になるまで冷却されて空気供給先ライン５を介して複式精留塔１５に供給される。また、これと並行して、吸着塔ユニット３ａで精製された原料空気の残りが第１空気導入ライン６（第１開閉弁Ｖ１開弁）から液化熱交換器７に導入され、液化点付近の温度になるまで冷却されて第２空気導入ライン８（第２開閉弁Ｖ２開弁）から空気供給先ライン５に合流し、前記主熱交換器４から出た原料空気の一部と共に複式精留塔１５の下部塔１５ｂに導入される。
複式精留塔１５の下部塔１５ｂに導入された原料空気は、精留操作により上部塔１５ａの頂部に設けられた窒素ガス供給ライン１８に取出される窒素ガスと、上部塔１５ａの下部に設けられた酸素ガス供給ライン１９に取出される酸素ガスと、上部塔１５ａの上下方向の中程より上方位置に設けられた廃ガス排出ライン１８ａに取出される廃ガスと、必要に応じて生産されるアルゴンに分離される。窒素ガス供給ライン１８から取出された窒素ガスは、主熱交換器４で原料空気と熱交換を行って常温になって導出されると共に、図示しない窒素圧縮機で圧縮されて供給先に供給される。また、酸素ガス供給ライン１９から取出された酸素ガスは、主熱交換器４で原料空気と熱交換を行って常温になって導出されると共に、図示しない酸素圧縮機で圧縮されて供給先に供給される。そして、廃ガス排出ライン１８ａから取出された廃ガスは、液化熱交換器７で原料空気と熱交換を行って常温になって系外に放出される。
次に、本発明の形態１に係る深冷空気液化分離装置１の液製造運転について説明する。
即ち、吸着塔ユニット３ｂで精製された原料空気は２分され、２分された原料空気の一部が主熱交換器４に導入されて、液化点付近の温度になるまで冷却される。主熱交換器４から出た原料空気の一部は、空気供給先ライン５から複式精留塔１５の下部塔１５ｂに導入される。原料空気の残りは、空気導入元ライン９（第１開閉弁Ｖ１閉弁、入側開閉弁９ａ開弁）を介して昇圧圧縮機９ｂに導入され、約３．０ＭＰａＧまで昇圧される。昇圧された原料空気の残りは２分され、２分された原料空気の残りの１部は、液化熱交換器７で液化され、液体製品を製造するための寒冷源として空気導入先ライン１０（出側開閉弁１０ａ開弁）から複式精留塔１５の下部塔１５ｂに導入される。
また、２分された原料空気の残りの残りは第３空気導入ライン１１から高圧膨張タービン１２の圧縮機１２ａに導入されて約５．０ＭＰａＧになるまで圧縮された後、第３開閉弁Ｖ３、第１空気導入ライン６を経て液化熱交換器７に導入される。そして、この液化熱交換器７で約−１００℃に冷却された後に、第４空気導入ライン１３（第４開閉弁Ｖ４は開弁、第２開閉弁Ｖ２は閉弁）から高圧膨張タービン１２の膨張機１２ｂに導入される。
膨張機１２ｂに導入された、２分された原料空気の残りの残りは、約０．４５ＭＰａＧに膨張されて深冷空気液化分離装置１の液製造運転のための寒冷を発生した後、空気供給先ライン５に合流し、前記主熱交換器４から出た２分された原料空気の一部と共に複式精留塔１５の下部塔１５ｂに導入される。
複式精留塔１５の下部塔１５ｂに導入された原料空気は、精留操作により上部塔１５ａの頂部に設けられた窒素ガス供給ライン１８から取出される窒素ガスと、上部塔１５ａの下部に設けられた酸素ガス供給ライン１９に取出される酸素ガスと、上部塔１５ａの上下方向の中程より上方位置に設けられた廃ガス排出ライン１８ａに取出される廃ガスと、下部塔１５ｂの頂部に設けられた液体窒素供給ライン１６に取出される液体窒素と、上部塔１５ａの底部に設けられた液体酸素供給ライン１７に取出される液体酸素と、必要に応じて生産されるアルゴンに分離される。
前記窒素ガス供給ライン１８から取出された窒素ガスは、主熱交換器４で原料空気と熱交換を行って常温になって導出され、図示しない窒素圧縮機で圧縮されて供給先に供給される。前記酸素ガス供給ライン１９から取出された酸素ガスは、主熱交換器４で原料空気と熱交換を行って常温になって導出され、図示しない酸素圧縮機で圧縮されて供給先に供給される。前記廃ガス排出ライン１８ａから取出された廃ガスは、液化熱交換器７で原料空気と熱交換を行って常温になって導出される。そして、前記液体窒素供給ライン１６から取出された液体窒素は、図示しない液体窒素タンクに送られ、液体酸素供給ライン１７から取出される液体酸素は、図示しない液体酸素タンクに送られる。なお、この実施の形態１の場合には、液体窒素と液体酸素の両方を製造するようにしているが、液体窒素と液体酸素のうち何れか一方を製造するようにしても良い。
本発明の実施の形態１に係る深冷空気液化分離装置１では、上記のとおり、ガス製造運転と液製造運転とが交互に繰り返されるのであるが、液化熱交換器７は液製造運転中のみならず、ガス製造運転中も熱交換器として作動されるように構成されている。従って、本発明の実施の形態１に係る深冷空気液化分離装置１によれば、下記のとおりの効果を得ることができる。
（１）ガス製造運転中の液化熱交換器７のガス出入り口間の温度分布は、液製造運転中における温度分布とほぼ同等に保持されていて、ガス製造運転から液製造運転に切換えるに際して冷却運転をする必要がないため、極めて短時間のうちにガス製造運転中の深冷空気液化分離装置１を液製造運転に移行させることができる。これにより、実質的な液製造運転時間が増加し、液体酸素・窒素等の生産性が向上するため、それら液体酸素・窒素等のコスト低減に大いに寄与することができる。
（２）ガス製造運転中の液化熱交換器のガス出入り口間の温度分布は、液製造運転中における温度分布とほぼ同等に保持されている。従って、温端側がマイナスの温度になっているということがなく、液製造運転への切換え時に低温流体が低温のまま放出されることがないため、常温ラインの配管が損傷するという危険性がない。
（３）液化熱交換器７は収縮と膨張とを繰り返すことがないため、液化熱交換器の耐久寿命が向上する。
本発明の運転方法を実施する、本発明の実施の形態２に係る深冷空気液化分離装置を、その系統図の図２を参照しながら説明する。本発明の実施の形態２が上記実施の形態１と相違するところは、図１と図２との比較において、良く理解されるように、空気供給元ライン３の第１空気導入ライン６の分岐部と、第１空気導入ライン６の空気導入元ライン９の分岐部との間から、吸着塔ユニット３ｂで精製された原料空気の一部を分流させる第１空気分流ラインを設けたところにあるから、上記実施の形態と同一のものには同一符号を付し、その相違する点について説明する。
即ち、本発明の実施の形態２に係る深冷空気液化分離装置１ａでは、空気供給元ライン３の第１空気導入ライン６の分岐部と、第１空気導入ライン６の空気導入元ライン９の分岐部との間から、吸着塔ユニット３ｂで精製された原料空気を分流させる第１空気分流ライン２０が分岐している。そして、この第１空気分流ライン２０の先端側は、液化熱交換器７を介して、前記主熱交換器４から前記複式精留塔１５の下部塔１５ｂに連通する空気供給先ライン５に合流しており、ガス製造運転中、液製造運転中の如何を問わず、常時吸着塔ユニット３ｂで精製された原料空気の一部が液化点付近の温度になるまで冷却されて複式精留塔１５の下部塔１５ｂに導入されるように構成されている。
本発明の実施の形態２に係る深冷空気液化分離装置１ａでは、上記実施の形態１に係る深冷空気液化分離装置１の場合と同様に、ガス製造運転中、液製造運転中の如何を問わず、液化熱交換器７が作動している。これに加えて、液化熱交換器７に対して、常時吸着塔ユニット３ｂで精製された原料空気の一部が導入されて熱交換する。従って、上記実施の形態２に係る深冷空気液化分離装置１ａによれば、上記実施の形態１に係る深冷空気液化分離装置１と同様の効果が得られるのに加えて、主熱交換器４と液化熱交換器７との熱バランス状態をより良好にすることができるという優れた効果が得られる。
本発明の運転方法を実施する、本発明の実施の形態３に係る深冷空気液化分離装置を、その系統図の図３を参照しながら説明する。本発明の実施の形態３が上記実施の形態１と相違するところは、図１と図３との比較において、良く理解されるように、空気供給元ライン３の第１空気導入ライン６の分岐部と、第１空気導入ライン６の空気導入元ライン９の分岐部との間から、吸着塔ユニット３ｂで精製された原料空気の一部を分流させる第２空気分流ラインを設け、これに寒冷発生手段を設けたところにあるから、上記実施の形態と同一のものには同一符号を付し、その相違する点について説明する。
即ち、本発明の実施の形態３に係る深冷空気液化分離装置１ｂでは、空気供給元ライン３の第１空気導入ライン６の分岐部と、第１空気導入ライン６の空気導入元ライン９の分岐部との間から、吸着塔ユニット３ｂで精製された原料空気を分流させる第２空気分流ライン２１が分岐している。そして、この空気分流ライン２１の先端側は、低圧膨張タービン２２の圧縮機２２ａ、主熱交換器４、低圧膨張タービン２２の膨張機２２ｂを経て前記複式精留塔１５の上部塔１５ａに連通しており、ガス製造運転中、液製造運転中の如何を問わず、膨張タービン２２の膨張機２２ｂで装置の運転維持に必要な寒冷を発生し、常時複式精留塔１５の上部塔１５ａに導入されるように構成されている。
そのため、本発明の実施の形態３に係る深冷空気液化分離装置１ｂによれば、上記実施の形態１に係る深冷空気液化分離装置１の場合と同様に、ガス製造運転中、液製造運転中の如何を問わず、液化熱交換器７が作動している。これに加えて、吸着塔ユニット３ｂで精製された原料空気の一部が低圧膨張タービン２２の圧縮機２２ａで約０．９ＭＰａＧまで昇圧されて主熱交換器４で約−１００℃まで冷却された後、低圧膨張タービン２２の膨張機２２ｂで約０．０３ＭＰａＧに膨張されて深冷空気液化分離装置１ｂの運転維持に必要な寒冷を発生し、常時複式精留塔１５の上部塔１５ａに導入される。
従って、本発明の実施の形態３に係る深冷空気液化分離装置１ｂによれば、上記実施の形態１に係る深冷空気液化分離装置１と同様の効果が得られるのに加えて、高圧膨張タービン１２の運転停止中、つまりガス製造運転中においても、低圧膨張タービン２２の膨張機２２ｂから寒冷を発生した原料空気が複式精留塔に常時供給されるため、深冷空気液化分離装置１ｂの運転維持に必要な寒冷を外部から補給する必要がない。
本発明の運転方法を実施する、本発明の実施の形態４に係る深冷空気液化分離装置を、その系統図の図４を参照しながら説明する。本発明の実施の形態４が上記実施の形態１と相違するところは、図１と図２乃至４との比較において良く理解されるように、本発明の実施の形態１に係る深冷空気液化分離装置１に、本発明の実施の形態２に係る深冷空気液化分離装置１ａに設けた第１空気分流ラインと、本発明の実施の形態３に係る深冷空気液化分離装置１ｂに設けた寒冷発生手段を備えた第２空気分流ライン２１とを設けたものであるから、上記実施の形態と同一のものには同一符号を付し、その相違する点について説明する。
即ち、本発明の実施の形態４に係る深冷空気液化分離装置１ｃでは、空気供給元ライン３の第１空気導入ライン６の分岐部と、第１空気導入ライン６の空気導入元ライン９の分岐部との間から、吸着塔ユニット３ｂで精製された原料空気を分流させる第１空気分流ライン２０が分岐している。そして、この第１空気分流ライン２０の先端側は、液化熱交換器７を介して、前記主熱交換器４から前記複式精留塔１５の下部塔１５ｂに連通する空気供給先ライン５に合流しており、ガス製造運転中、液製造運転中の如何を問わず、常時吸着塔ユニット３ｂで精製された原料空気の一部が液化点付近の温度になるまで冷却されて複式精留塔１５の下部塔１５ｂに導入されるように構成されている。
また、空気供給元ライン３の第１空気導入ライン６の分岐部と、第１空気導入ライン６の空気導入元ライン９の分岐部との間から、吸着塔ユニット３ｂによって精製された原料空気を分流させる第２空気分流ライン２１が分岐している。そして、この空気分流ライン２１の先端側は、低圧膨張タービン２２の圧縮機２２ａ、主熱交換器４、低圧膨張タービン２２の膨張機２２ｂを経て前記複式精留塔１５の上部塔１５ａに連通しており、ガス製造運転中、液製造運転中の如何を問わず、膨張タービン２２の膨張機２２ｂで装置の運転維持に必要な寒冷を発生し、常時複式精留塔１５の上部塔１５ａに導入されるように構成されている。
本発明の実施の形態４に係る深冷空気液化分離装置１ｃでは、上記実施の形態１に係る深冷空気液化分離装置１の場合と同様に、ガス製造運転中、液製造運転中の如何を問わず、液化熱交換器７が作動している。これに加えて、液化熱交換器７に、常時吸着塔ユニット３ｂで精製された原料空気の一部が導入されると共に、低圧膨張タービン２２の膨張機２２ｂによって装置の運転維持に必要な寒冷を発生している。
従って、本発明の実施の形態４に係る深冷空気液化分離装置１ｃによれば、上記実施の形態１に係る深冷空気液化分離装置１と同様の効果が得られ、さらに上記実施の形態１ａ，１ｂの効果、即ち主熱交換器４と液化熱交換器７との熱バランス状態をより良好にすることができるという優れた効果が得られる。また、ガス製造運転中においても、低圧膨張タービン２２の膨張機２２ｂから寒冷を発生した原料空気が複式精留塔に常時供給されるため、深冷空気液化分離装置１ｂの運転維持に必要な寒冷を外部から補給する必要がないという効果が得られる。
以上説明した本発明の運転方法を実施する、本発明の上記実施の形態１乃至４に係る深冷空気液化分離装置１乃至１ｃは本発明の具体例に過ぎず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内における設計変更等は自由自在である。従って、深冷空気液化分離装置の形態は、上記実施の形態１乃至４に係る深冷空気液化分離装置１乃至１ｃの構成に限定されるものではない。
本発明の実施の形態１に係る深冷空気液化分離装置の系統図である。 本発明の実施の形態２に係る深冷空気液化分離装置の系統図である。 本発明の実施の形態３に係る深冷空気液化分離装置の系統図である。 本発明の実施の形態４に係る深冷空気液化分離装置の系統図である。 従来例に係り、一般的な液化装置付きの深冷空気液化分離装置の系統図である。
符号の説明
１，１ａ，１ｂ，１ｃ…深冷空気液化分離装置
２…原料空気圧縮機
３…空気供給元ライン，３ａ…予冷ユニット，
３ｂ…吸着塔ユニット，３ｂ１…第１吸着塔，３ｂ２…第２吸着塔
４…主熱交換器
５…空気供給先ライン
６…第１空気導入ライン
７…液化熱交換器，７ａ…熱交換流
８…第２空気導入ライン
９…空気導入元ライン，９ａ…入側開閉弁，９ｂ…昇圧圧縮機
１０…空気導入先ライン，１０ａ…出側開閉弁
１１…第３空気導入ライン
１２…高圧膨張タービン，１２ａ…圧縮機，１２ｂ…膨張機
１３…第４空気導入ライン
１４…第５空気導入ライン
１５…複式精留塔，１５ａ…上部塔，１５ｂ…下部塔，１５ｃ…アルゴン精製装置
１６…液体窒素供給ライン
１７…液体酸素供給ライン
１８…窒素ガス供給ライン，１８ａ…廃ガス排出ライン
１９…酸素ガス供給ライン
２０…第１空気分流ライン
２１…第２空気分流ライン
２２…低圧膨張タービン，２２ａ…圧縮機，２２ｂ…膨張機

Claims (2)

  1. 窒素ガス、酸素ガスを製造するガス製造運転と、窒素ガス、酸素ガス並びに液体窒素及び／又は液体酸素を製造する液製造運転とに切換え操作される深冷空気液化分離装置において、
    原料空気圧縮機と、この原料空気圧縮機で圧縮された原料空気を予冷する予冷ユニットと、この予冷ユニットで予冷された原料空気から水分・炭酸ガスを除去して精製する吸着塔ユニットと、製品として生成される窒素ガス、酸素ガスが冷却媒体として導入され、前記吸着塔ユニットで精製された原料空気の一部を冷却する主熱交換器と、前記吸着塔ユニットで精製された原料空気の残りを前記液製造運転時に圧縮する昇圧圧縮機と、前記窒素ガスの生成に伴い生成する廃ガスが冷却媒体として導入され、前記昇圧圧縮機で昇圧された原料空気の一部を冷却する液化熱交換器と、前記昇圧圧縮機で圧縮された原料空気の残りの一部を膨張させて寒冷を発生させる高圧膨張タービンと、前記主熱交換器からの原料空気と前記液化熱交換器からの原料空気とが導入され、該原料空気を窒素、酸素に精留分離する複式精留塔と、前記ガス製造運転中は開弁され、前記液製造運転中は閉弁される第１開閉弁が介装され、前記吸着塔ユニットで精製された原料空気の残りを前記液化熱交換器に導入する第１空気導入ラインと、前記ガス製造運転中は開弁され、前記液製造運転中は閉弁される第２開閉弁が介装され、前記液化熱交換器から出た原料空気を前記複式精留塔に導入する第２空気導入ラインと、前記ガス製造運転中は閉弁され、前記液製造運転中は開弁される第３開閉弁が介装され、前記高圧膨張タービンの圧縮機側から出た原料空気を前記液化熱交換器に導入する第３空気導入ラインと、前記ガス製造運転中は閉弁され、前記液製造運転中は開弁される第４開閉弁が介装され、前記液化熱交換器から出た原料空気を前記高圧膨張タービンの膨張機側に導入する第４空気導入ラインと、前記液製造運転に際して前記第４空気導入ラインから導入され、前記高圧膨張タービンの膨張機で膨張されて寒冷を発生した原料空気を前記複式精留塔に導入する第５空気導入ラインと、を備えたことを特徴とする深冷空気液化分離装置。
  2. 原料空気を原料空気圧縮機で圧縮し、前記原料空気圧縮機から出た原料空気を予冷ユニットで予冷し、予冷した原料空気を水分・炭酸ガスを除去する吸着塔ユニットに導入し、この吸着塔ユニットから出た原料空気の一部を主熱交換器に導入して、複式精留塔からの製品として生成される窒素ガス、酸素ガスとの熱交換によって冷却する一方、残りの原料空気を液化熱交換器に導入して前記複式精留塔からの廃ガスとの熱交換によって冷却し、前記主熱交換器から出た原料空気と前記液化熱交換器から出た原料空気とを前記複式精留塔に導入して窒素ガス、酸素ガスを製造するガス製造運転と、
    前記吸着塔ユニットから出た原料空気の一部を前記主熱交換器に導入して、前記複式精留塔からの製品として生成される窒素ガス、酸素ガスとの熱交換によって冷却する一方、残りの原料空気を昇圧圧縮機で昇圧させた後に二分し、二分した一方の原料空気を前記液化熱交換器に導入して前記複式精留塔からの廃ガスとの熱交換によって冷却し、二分した他方の原料空気を高圧膨張タービンの圧縮機で圧縮して前記液化熱交換器に導入し、この液化熱交換器から出た原料空気を前記高圧膨張タービンの膨張機で膨張させた後に前記複式精留塔に導入すると共に、前記主熱交換器から出た原料空気、および前記液化熱交換器から出た前記二分した前記一方の原料空気を前記複式精留塔に導入して、窒素ガス、酸素ガス並びに液体窒素及び／又は液体酸素を製造する液製造運転とを、自動切換することを特徴とする深冷空気液化分離装置の運転方法。
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