JP5685168B2 - 低純度酸素の製造方法及び低純度酸素の製造装置 - Google Patents
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Description
請求項1に記載の発明は、空気の低温蒸留によって低純度酸素を製造する方法であって、
所定圧力まで昇圧し、二酸化炭素及び水蒸気を除去した原料空気を冷却した後、深冷分離によって中圧窒素ガスと中圧酸素富化液とに分離する第一分離工程と、
前記第一分離工程で分離した前記中圧窒素ガスを間接熱交換によって液化して中圧液体窒素とする熱交換工程と、
前記第一分離工程で分離した中圧酸素富化液の一部を気化し、第一のガス流体と第一の液流体とに分離する第一気化工程と、
前記第一気化工程で分離した前記第一の液流体の一部を気化し、第二のガス流体と第二の液流体とに分離する第二気化工程と、
前記第二気化工程で分離した前記第二のガス流体を昇温した後、膨張タービンに導入して寒冷を発生させる寒冷発生工程と、
前記中圧液体窒素の一部、前記中圧酸素富化液の一部及び前記寒冷発生工程で昇温した前記第二のガス流体から、低圧窒素ガスと低圧低純度酸素とを分離する第二分離工程と、
前記第二分離工程で分離した前記低圧低純度酸素を、前記中圧窒素ガスとの前記間接熱交換によって気化し、気化した当該低圧低純度酸素の一部を製品として取り出す製品採取工程と、
前記膨張タービンから回収した流体を低圧塔に導入する工程と、
前記第二気化工程で分離した前記第二の液流体を低圧塔に導入する工程と、を備えることを特徴とする低純度酸素の製造方法である。
前記第三のガス流体を前記低圧塔に導入することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の低純度酸素の製造方法である。
所定圧力まで昇圧し、二酸化炭素及び水蒸気を除去した原料空気を、熱交換によって冷却する熱交換器と、
前記熱交換器で冷却した前記原料空気を、中圧窒素ガスと中圧酸素富化液とに深冷分離する中圧塔と、
前記中圧塔で分離した前記中圧窒素ガスを間接熱交換によって液化して中圧液体窒素を得る主凝縮器と、
前記中圧塔の底部から得た中圧酸素富化液の一部を気化し、第一のガス流体と第一の液流体とに分離する第一気化器と、
前記第一の液化流体の一部を気化し、第二のガス流体と第二の液流体とに分離する第二気化器と、
前記第二のガス流体を昇温した後に導入して、寒冷を発生させる膨張タービンと、
前記中圧液体窒素の一部、前記中圧酸素富化液の一部及び前記膨張タービンを経た前記第二のガス流体から、低圧窒素ガスと低圧低純度酸素とを分離する低圧塔と、
前記第二気化器で分離した第二の液流体を前記低圧塔に導入する経路と、を備えることを特徴とする低純度酸素の製造装置である。
昇圧した後の前記第一のガス流体を前記原料空気に混合させるための経路と、を備えることを特徴とする請求項6に記載の低純度酸素の製造装置である。
先ず、本発明を適用した低純度酸素の製造装置の第1の実施形態である空気分離装置の構成について説明する。
図1に示すように、本実施形態の空気分離装置(低純度酸素の製造装置)1は、所定圧力まで昇圧し、二酸化炭素及び水蒸気を除去した原料空気を、熱交換によって冷却する熱交換器2と、熱交換器2で冷却した原料空気を、中圧窒素ガスと中圧酸素富化液とに深冷分離する中圧塔3と、中圧塔3で分離した中圧窒素ガスを間接熱交換によって液化して中圧液体窒素を得る主凝縮器10と、中圧塔3の底部から得た中圧酸素富化液の一部を気化し、第一のガス流体と第一の液流体とに分離する気化器(第一気化器)5aを内蔵する第一気液分離器5と、第一の液化ガスの一部を気化し、第二のガス流体と第二の液流体とに分離する気化器(第二気化器)6aを内蔵する第二気液分離器6と、第二のガス流体を昇温した後に導入して、寒冷を発生させる膨張タービン7と、中圧液体窒素、中圧酸素富化液の一部及び膨張タービン7を経た第二のガス流体から、低圧窒素ガスと低圧低純度酸素とを分離する低圧塔8と、第二気液分離器6で分離した第二の液流体を低圧塔8に導入する、配管等からなる経路L18と、第一気液分離器5で分離した第一のガス流体を昇温した後、第一のガス流体の圧力を原料空気と略同一の圧力となるまで昇圧するための圧縮機9と、昇圧した後の第一のガス流体を原料空気に混合させるための経路L14と、を主要な構成機器とするものである。
本実施形態の低純度酸素の製造方法は、所定圧力まで昇圧し、二酸化炭素及び水蒸気を除去した原料空気を冷却した後、深冷分離によって中圧窒素ガスと中圧酸素富化液とに分離する第一分離工程と、上記第一分離工程で分離した中圧窒素ガスを間接熱交換によって液化して中圧液体窒素とする熱交換工程と、上記第一分離工程で分離した中圧酸素富化液の一部を気化し、第一のガス流体と第一の液流体とに分離する第一気化工程と、上記第一気化工程で分離した第一の液流体の一部を気化し、第二のガス流体と第二の液流体とに分離する第二気化工程と、上記第二気化工程で分離した第二のガス流体を昇温した後、膨張タービンに導入して寒冷を発生させる寒冷発生工程と、中圧液体窒素、中圧酸素富化液の一部及び上記寒冷発生工程で昇温した第二のガス流体から、低圧窒素ガスと低圧低純度酸素とを分離する第二分離工程と、上記第二分離工程で分離した低圧低純度酸素を、中圧窒素ガスとの間接熱交換によって気化し、気化した当該低圧低純度酸素の一部を製品として取り出す製品採取工程と、膨張タービンから回収した流体を低圧塔に導入する工程(第1導入工程)と、上記第二気化工程で分離した第二の液流体を低圧塔に導入する工程(第2導入工程)と、を備えて概略構成されている。
次に、本発明を適用した第2の実施形態である空気分離装置及び低純度酸素の製造方法について、図2を参照して詳細に説明する。図2に示すように、第2の実施形態は、第一気液分離器5の気相部分を、第二気液分離器6の気相部分と同様に、寒冷発生に用いるものである。したがって、本実施形態の空気分離装置21については、第1の実施形態の空気分離装置1と同一の構成部分については同じ符号を付すると共に説明を省略する。
次に、本発明を適用した第3の実施形態である空気分離装置及び低純度酸素の製造方法について、図3を参照して詳細に説明する。図3に示すように、第3の実施形態は、第三気液分離器(第三気化器)32を備えており、第二気液分離器6の液相部分が上記第三気液分離器32に導入される点で上述した第1の実施形態と異なるものである。したがって、本実施形態の空気分離装置31については、第1の実施形態の空気分離装置1と同一の構成部分については同じ符号を付すると共に説明を省略する。
また、空気分離装置31を用いた本実施形態の低純度酸素の製造方法によれば、第二気液分離器6の液相部分が、経路L31を介して気化器を内蔵する第三気液分離器32に導入され、気相部分(第三のガス流体)と液相部分(第三の液流体)とに分離される(第三気化工程)。
図3に示した本発明を適用した第3の実施形態例の空気分離装置31を用いて、原料空気から酸素濃度95%以上、圧力1.35barAの製品酸素ガスと、酸素濃度0.1ppm以下、圧力1.16barAの製品窒素ガスとを採取する場合の実施例を示す。
2・・・熱交換器
3・・・中圧塔
4・・・過冷器
5・・・第一気液分離器
5a・・・気化器(第一気化器)
6・・・第二気液分離器
6a・・・気化器(第二気化器)
7・・・膨張タービン
8・・・低圧塔
9・・・圧縮機
10・・・主凝縮器
32・・・第三気液分離器
32a・・・気化器(第三気化器)
33・・・過冷器(凝縮器)
L1〜L24,L27,L31〜L33・・・経路
Claims (9)
- 空気の低温蒸留によって低純度酸素を製造する方法であって、
所定圧力まで昇圧し、二酸化炭素及び水蒸気を除去した原料空気を冷却した後、深冷分離によって中圧窒素ガスと中圧酸素富化液とに分離する第一分離工程と、
前記第一分離工程で分離した前記中圧窒素ガスを間接熱交換によって液化して中圧液体窒素とする熱交換工程と、
前記第一分離工程で分離した中圧酸素富化液の一部を気化し、第一のガス流体と第一の液流体とに分離する第一気化工程と、
前記第一気化工程で分離した前記第一の液流体の一部を気化し、第二のガス流体と第二の液流体とに分離する第二気化工程と、
前記第二気化工程で分離した前記第二のガス流体を昇温した後、膨張タービンに導入して寒冷を発生させる寒冷発生工程と、
前記中圧液体窒素の一部、前記中圧酸素富化液の一部及び前記寒冷発生工程で昇温した前記第二のガス流体から、低圧窒素ガスと低圧低純度酸素とを分離する第二分離工程と、
前記第二分離工程で分離した前記低圧低純度酸素を、前記中圧窒素ガスとの前記間接熱交換によって気化し、気化した当該低圧低純度酸素の一部を製品として取り出す製品採取工程と、
前記膨張タービンから回収した流体を低圧塔に導入する工程と、
前記第二気化工程で分離した前記第二の液流体を低圧塔に導入する工程と、を備えることを特徴とする低純度酸素の製造方法。 - 前記第一気化工程で分離した前記第一のガス流体を昇温及び圧縮した後、循環流体として、前記原料空気に導入する循環工程を備えることを特徴とする請求項1記載の低純度酸素の製造方法。
- 前記第一気化工程で分離した前記第一のガス流体中の酸素組成が、大気中の酸素組成と略同一であることを特徴とする請求項2に記載の低純度酸素の製造方法。
- 前記第一気化工程で分離した前記第一のガス流体を昇温して前記膨張タービンに導入した後に、前記低圧塔に導入することを特徴とする請求項1記載の低純度酸素の製造方法。
- 前記第二気化工程で分離した前記第二の液流体を低圧塔に導入する工程に代え、前記第二の液流体の一部を気化し、第三のガス流体と第三の液流体とに分離する第三気化工程を備え、
前記第三のガス流体を前記低圧塔に導入することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の低純度酸素の製造方法。 - 空気の低温蒸留によって低純度酸素を製造する装置であって、
所定圧力まで昇圧し、二酸化炭素及び水蒸気を除去した原料空気を、熱交換によって冷却する熱交換器と、
前記熱交換器で冷却した前記原料空気を、中圧窒素ガスと中圧酸素富化液とに深冷分離する中圧塔と、
前記中圧塔で分離した前記中圧窒素ガスを間接熱交換によって液化して中圧液体窒素を得る主凝縮器と、
前記中圧塔の底部から得た中圧酸素富化液の一部を気化し、第一のガス流体と第一の液流体とに分離する第一気化器と、
前記第一の液流体の一部を気化し、第二のガス流体と第二の液流体とに分離する第二気化器と、
前記第二のガス流体を昇温した後に導入して、寒冷を発生させる膨張タービンと、
前記中圧液体窒素の一部、前記中圧酸素富化液の一部及び前記膨張タービンを経た前記第二のガス流体から、低圧窒素ガスと低圧低純度酸素とを分離する低圧塔と、
前記第二気化器で分離した第二の液流体を前記低圧塔に導入する経路と、を備えることを特徴とする低純度酸素の製造装置。 - 前記第一気化器で分離した前記第一のガス流体を昇温した後、当該第一のガス流体の圧力を前記原料空気と略同一の圧力となるまで昇圧するための圧縮機と、
昇圧した後の前記第一のガス流体を前記原料空気に混合させるための経路と、を備えることを特徴とする請求項6に記載の低純度酸素の製造装置。 - 前記圧縮機は、空気圧縮機又は前記原料空気を昇圧する圧縮機の一部であることを特徴とする請求項7に記載の低純度酸素の製造装置。
- 前記熱交換器は、前記原料空気を少なくとも前記低圧低純度酸素及び前記低圧窒素ガスとの熱交換によって冷却することを特徴とする請求項6乃至8のいずれか一項に記載の低純度酸素の製造装置。
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