JPH1163811A - 低純度酸素の製造方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
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。 【解決手段】 圧縮,精製,冷却した原料空気を高圧塔
7,主凝縮器11及び低圧塔8を有する複精留塔6に導
入し,液化精留して低圧塔8の下部から製品低純度酸素
を回収するとともに、高圧塔7の上部から窒素を抜出し
て主熱交換器5で昇温し、該窒素の一部を第1熱交換器
22で圧縮原料空気と熱交換させて昇温し、該昇温した
窒素を動力回収用膨張タービン21で断熱膨張させて低
温窒素とした後、第2熱交換器23で低温窒素により精
製前の圧縮原料空気を冷却し、動力回収用膨張タービン
21における窒素の膨張による仕事を利用して前記原料
空気の圧縮を行う。
Description
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。
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。
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。
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/cm2
abs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。
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。
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。
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。
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1
3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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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27000
Nm3/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。
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。
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。
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%,5969
Nm3/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。
3/hの排ガスは、経路63、過冷器9を通り、経路6
4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。
4,55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/cm2ab
s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1
3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。
6から経路71に分岐した温度17℃,圧力5.67k
gf/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。
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。
5kwh/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。
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。
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。
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1
4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。
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。
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2
3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。
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。
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。
す系統図である。
図である。
図である。
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、2
2…第1熱交換器、23…第2熱交換器
Claims (3)
- 【請求項1】 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。 - 【請求項2】 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。 - 【請求項3】 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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---|---|---|---|
JP21737797A JP3737612B2 (ja) | 1997-08-12 | 1997-08-12 | 低純度酸素の製造方法及び装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP21737797A JP3737612B2 (ja) | 1997-08-12 | 1997-08-12 | 低純度酸素の製造方法及び装置 |
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---|---|
JPH1163811A true JPH1163811A (ja) | 1999-03-05 |
JP3737612B2 JP3737612B2 (ja) | 2006-01-18 |
Family
ID=16703227
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2006525487A (ja) * | 2003-05-05 | 2006-11-09 | レール・リキード−ソシエテ・アノニム・ア・ディレクトワール・エ・コンセイユ・ドゥ・スールベイランス・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード | 空気の低温蒸留により加圧空気ガスを製造するための方法及びシステム |
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EP2647934A1 (de) * | 2012-04-03 | 2013-10-09 | Linde Aktiengesellschaft | Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie |
JP2016142462A (ja) * | 2015-02-03 | 2016-08-08 | 神鋼エア・ウォーター・クライオプラント株式会社 | 空気分離装置 |
-
1997
- 1997-08-12 JP JP21737797A patent/JP3737612B2/ja not_active Expired - Lifetime
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