JP3703943B2 - 低純度酸素の製造方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【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、液化水素の冷熱を利用して低温で空気を蒸留分離し、主として低純度酸素を製品として回収する低純度酸素の製造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】
純度９９％以下の低純度酸素は、近年様々な分野において需要が期待されている。この低純度酸素を製造するプロセスとして、高圧塔及び低圧塔からなる複式蒸留塔を備えた空気液化分離装置で空気中の酸素と窒素とを分離して酸素を回収するプロセスが知られている。このようなプロセスにおいて低純度酸素を製造する場合は、高純度酸素を製造する場合に比べてアルゴンと酸素とを分離する必要がほとんどないため、低圧塔のアルゴンと酸素とを分離する部分（回収部）の上昇ガス及び下降液の量を少なくすることができる。このため、原料空気の一部を直接低圧塔に導入することによって動力原単位の削減を図ることが可能となる。
【０００３】
図４は、低純度酸素及び窒素を製造する空気液化分離装置の一例を示す系統図であって、経路２０１を流れる所定圧力の原料空気は、その大半が経路２０２から主熱交換器２０３，経路２０４を経て複式蒸留塔の高圧塔２０５の下部に導入される。残部の原料空気は、経路２０１から経路２０６に分岐し、熱交換器２０７を経て圧縮機２０８で昇圧した後、アフタークーラー２０９，熱交換器２０７を経て経路２１０から前記主熱交換器２０３に導入される。主熱交換器２０３の中間部から経路２１１に導出された分岐原料空気は、膨張タービン２１２で断熱膨張することにより冷熱を発生した後、経路２１３を通って低圧塔２１４の中段に導入される。
【０００４】
高圧塔２０５及び低圧塔２１４に導入された原料空気は、複式蒸留塔における周知の精留作用により、低圧塔２１４の底部に設けられた主凝縮器２１５部分の液化酸素と、低圧塔２１４頂部の窒素ガスとに分離する。低純度酸素は、低圧塔２１４の下部から経路２１６に抜き出され、主熱交換器２０３を経て経路２１７から回収される。また、窒素は、低圧塔２１４の塔頂部から経路２１８に抜き出され、過冷器２１９，２２０及び主熱交換器２０３を経て経路２２１から回収される。
【０００５】
上記プロセスでは、原料空気の一部を膨張タービン２１２で膨張させて低圧塔２１４に導入するようにしているが、低圧塔２１４の上昇ガスと下降液とを得るために原料空気のほとんどを高圧塔２０５に供給しなければならないので、低圧塔２１４の回収部における上昇ガス及び下降液の量は、高純度酸素を製造するプロセスとほとんど同じとなる。このため、高純度酸素を製造するプロセスと比較して動力原単位を削減する効果は少なかった。
【０００６】
また、特開昭６１−３８２９１号公報に記載されているプロセスでは、低圧の原料空気を直接低圧塔に導入することによって上昇ガス及び下降液の量を減少させ、原料空気の圧縮動力を低減するようにしている。しかし、このプロセスでは、低圧及び高圧の２系統の圧縮設備及び前処理設備（精製設備）が必要となり、初期コストが増大する欠点があった。また、低圧の空気から二酸化炭素や水分等を除去するためには、前処理設備において多量の再生動力が必要となり、動力原単位の増大につながる。
【０００７】
さらに、このようにして低純度酸素を深冷による空気液化分離装置で製造する場合には、空気をその液化点付近の温度まで冷却して蒸留分離を行うため、多量の冷熱を必要とし、高圧の流体、例えば、上述のように、原料空気の一部を圧縮機２０８で高圧に昇圧して膨張タービン２１２で膨張させ、仕事をさせることで冷熱を補っていた。
【０００８】
一方、低純度酸素の用途として、水素と酸素とを混合して燃焼させることにより発電するシステムが知られている。このシステムでは、水素を低温の液化水素の状態で輸送するため、燃焼させる前には、液化水素を蒸発させて常温まで加熱する必要があり、液化水素の冷熱を放出させる必要がある。
【０００９】
そこで本発明は、前記液化水素の冷熱を空気分離装置で使用することにより、低純度酸素を効率よく製造することができる低純度酸素の製造方法及び装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【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、第１の構成として、液化水素の冷熱を利用して原料空気を低温蒸留することにより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２系統に分岐し、一方は膨張させ、他方は低温で圧縮する工程と、膨張させた低圧原料空気及び低温圧縮した高圧原料空気を低温蒸留で得られた流体及び冷熱を供給する液化水素との熱交換により冷却する工程と、低圧及び高圧原料空気を低温蒸留することにより酸素と窒素とに分離する工程と、低温蒸留で得られた窒素ガスの少なくとも一部を液化水素によって凝縮させる工程と、低温蒸留で得られた酸素の少なくとも一部を製品として回収する工程とを含むことを特徴としている。
【００１１】
さらに、本発明方法の第２の構成は、液化水素の冷熱を利用して原料空気を単蒸留塔で低温蒸留することにより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２系統に分岐し、一方は膨張させ、他方は低温で圧縮する工程と、膨張させた低圧原料空気及び低温圧縮した高圧原料空気を低温蒸留で得られた流体及び冷熱を供給する液化水素との熱交換により冷却する工程と、冷却された高圧原料空気を凝縮させる工程と、低圧及び高圧原料空気を前記単蒸留塔に導入して低温蒸留することにより酸素と窒素とに分離する工程と、低温蒸留で得られた窒素ガスの少なくとも一部を液化水素によって凝縮させる工程と、低温蒸留で得られた窒素ガスの少なくとも一部を圧縮し、凝縮した後、還流液として単蒸留塔に供給する工程と、低温蒸留で得られた酸素の少なくとも一部を製品として回収する工程とを含むことを特徴としている。
【００１２】
また、本発明方法の第３の構成は、液化水素の冷熱を利用して原料空気を高圧塔及び低圧塔を有する蒸留設備で低温蒸留することにより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２系統に分岐し、一方は膨張させ、他方は低温で圧縮する工程と、膨張させた低圧原料空気及び低温圧縮した高圧原料空気を低温蒸留で得られた流体及び冷熱を供給する液化水素との熱交換により冷却する工程と、低圧原料空気を前記低圧塔に導入するとともに高圧原料空気を前記高圧塔に導入して低温蒸留することにより酸素と窒素とに分離する工程と、低温蒸留で得られた低圧塔上部の窒素ガスの少なくとも一部を液化水素によって凝縮させる工程と、低温蒸留で得られた低圧塔下部の酸素の少なくとも一部を製品として回収する工程とを含むことを特徴としている。
【００１３】
さらに、本発明方法は、上記各構成において、前記低温で圧縮する原料空気を前記原料空気の膨張による仕事を利用して圧縮すること、前記低温で圧縮する原料空気は、前記精製工程を終えた原料空気の温度と、前記低温蒸留を行う温度との間の温度で低温圧縮工程に供給されること、前記膨張させる原料空気を、膨張させる前に加熱すること、前記原料空気と低温蒸留で得られた流体及び冷熱を供給する液化水素との熱交換は、前記精製原料空気の温度と低温蒸留で得られた窒素ガスとの温端温度差を５℃以上とし、かつ、該窒素ガスを前記圧縮原料空気の予冷に利用すること、前記酸素の回収は、低温蒸留で得られた液化酸素を圧縮し、次いで原料空気の少なくとも一部、あるいは、原料空気の一部及び前記圧縮した窒素ガスのいずれか一方又は双方との熱交換によって蒸発させることにより行うことを特徴としている。
【００１４】
加えて、前記第３の構成において、前記低温圧縮した高圧原料空気の一部を更に昇圧し、該昇圧原料空気を低温蒸留で得られた流体及び冷熱を供給する液化水素との熱交換により液化した後、前記高圧塔に導入すること、特に、前記液化した昇圧原料空気は、前記高圧塔における高圧原料空気の導入位置よりも、少なくとも１理論段上の位置で高圧塔に導入することを特徴としている。
【００１５】
また、本発明の低純度酸素の製造装置は、第１の構成として、液化水素の冷熱を利用して原料空気を低温蒸留することにより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、精製原料空気の一部を低温で圧縮する低温圧縮機と、残部の精製原料空気を膨張させるタービンと、膨張させた低圧原料空気及び低温圧縮した高圧原料空気と低温蒸留で得られた流体及び冷熱を供給する液化水素とを熱交換させて原料空気を冷却する主熱交換器と、主熱交換器で冷却された原料空気を低温蒸留して窒素と酸素とに分離する蒸留塔と、蒸留塔の頂部から抜き出した窒素ガスの一部を凝縮させる熱交換器と、蒸留塔で生成した酸素の少なくとも一部を製品として回収する経路とを備えていることを特徴としている。
【００１６】
さらに、本発明装置の第２の構成は、液化水素の冷熱を利用して原料空気を低温蒸留することにより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、精製原料空気の一部を低温で圧縮する低温圧縮機と、精製原料空気の残りを膨張させるタービンと、膨張させた低圧原料空気及び低温圧縮した高圧原料空気と低温蒸留で得られた流体及び冷熱を供給する液化水素とを熱交換させて原料空気を冷却する主熱交換器と、主熱交換器で冷却された原料空気を低温蒸留して窒素と酸素とに分離する単蒸留塔と、単蒸留塔底部の液を蒸発させる熱交換器と、低温蒸留で得られた液化酸素を蒸発させる熱交換器と、単蒸留塔の頂部から抜き出した窒素ガスの一部を凝縮させる熱交換器と、単蒸留塔の頂部から抜き出した窒素ガスの一部を圧縮する圧縮機と、単蒸留塔で生成した酸素の少なくとも一部を製品として回収する経路とを備えていることを特徴としている。
【００１７】
また、本発明装置の第３の構成は、液化水素の冷熱を利用して原料空気を低温蒸留することにより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、精製原料空気の一部を低温で圧縮する低温圧縮機と、残部の精製原料空気を膨張させるタービンと、膨張させた低圧原料空気及び低温圧縮した高圧原料空気と低温蒸留で得られた流体及び冷熱を供給する液化水素とを熱交換させて原料空気を冷却する主熱交換器と、主熱交換器で冷却された原料空気を低温蒸留して窒素と酸素とに分離する高圧塔及び低圧塔からなる複式蒸留塔と、低圧塔頂部から抜き出した窒素ガスの一部を凝縮させる熱交換器と、低圧塔で生成した酸素の少なくとも一部を製品として回収する経路とを備えていることを特徴としている。
【００１８】
さらに、本発明装置は、上記各構成において、タービンと前記低温圧縮機とが同軸上に連結されていること、前記圧縮原料空気と低温蒸留によって得られた流体とを熱交換させて圧縮原料空気を予冷する熱交換器を備えていること、前記タービンで膨張させる原料空気を、膨張前に加熱する熱交換器を備えていること、前記酸素を製品として回収する経路は、低温蒸留によって得られた液化酸素を圧縮するポンプを備えていること、前記蒸留塔が、充填蒸留塔であること、前記主熱交換器は、冷熱を供給する水素の通路と、その他の酸素含有流体の通路との間に、窒素の通路が介在していることを特徴としている。
【００１９】
加えて、前記第３の構成において、前記低温圧縮機を導出した高圧原料空気の一部を昇圧する昇圧機と、該昇圧機で昇圧した昇圧原料空気を前記主熱交換器を介して高圧塔に導入する経路とを備えていること、特に、昇圧原料空気を高圧塔に導入する経路は、該高圧塔に導入される前記高圧原料空気の導入位置よりも、少なくとも１理論段上の位置に接続していることを特徴としている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
まず、図１は、本発明の第１形態例を示す系統図である。この低純度酸素製造装置は、原料空気を圧縮する原料空気圧縮機１と、圧縮後の圧縮原料空気を予冷するための予冷設備である熱交換器（空気予冷器）２と、予冷後の原料空気中に含まれている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３と、精製後の精製原料空気の一部を前記予冷用熱交換器２で加熱してから膨張させる膨張タービン４と、精製原料空気の残部を主熱交換器５で冷却してから圧縮する低温圧縮機６と、膨張タービン４で膨張した低圧原料空気及び低温圧縮機６で圧縮した高圧原料空気を単蒸留塔７での低温蒸留で得られた酸素や窒素等の低温流体及び冷熱を供給する液化水素と熱交換させて原料空気を冷却する前記主熱交換器５と、該主熱交換器５で冷却した原料空気を窒素と酸素とに分離する前記単蒸留塔７と、単蒸留塔７の頂部から抜き出した窒素ガスの一部を液化水素との熱交換により冷却して凝縮させる熱交換器（凝縮器）８と、単蒸留塔７の頂部から抜き出した窒素ガスの一部を過冷器９及び主熱交換器５で昇温後に圧縮する窒素圧縮機１０と、単蒸留塔７の底部から抜き出した液化酸素の一部を原料空気の一部で加熱して蒸発させる熱交換器（リボイラー）１１と、単蒸留塔７の底部から製品酸素ガス回収経路１２に抜き出した液化酸素を圧縮する液化酸素ポンプ１３と、該液化酸素を蒸発させる酸素蒸発器１４と、液化水素を前記凝縮器８，過冷器９及び主熱交換器５を通して昇温する液化水素蒸発昇温経路１５とを備えている。また、前記膨張タービン４と低温圧縮機６とは、軸１６により連結されており、膨張タービン４での原料空気の膨張による仕事を低温圧縮機６の駆動源としている。
【００２１】
次に、本形態例により、９７％Ｏ₂ の低純度酸素を製造する方法の一例を説明する。まず、１０１００Ｎｍ³ ／ｈの原料空気は、原料空気圧縮機１で３．３ｋｇｆ／ｃｍ² ａｂｓ．に圧縮され、導管２１を通り、空気予冷器２で４℃に冷却された後、導管２２を通って精製設備３に導入される。精製設備３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、導管２３から導管２４と導管２５とに分岐する。導管２４に分岐した精製原料空気６１００Ｎｍ³ ／ｈは、前記空気予冷器２で圧縮原料空気と熱交換して５４℃に加熱された後、導管２６を通って前記膨張タービン４に導入され、該膨張タービン４で１．６ｋｇ／ｃｍ² ａｂｓ．に減圧する。減圧後の低圧原料空気は、導管２７から前記主熱交換器５に流入し、低温の戻りガスや低温水素ガスと熱交換を行って露点温度付近まで冷却され、導管２８を通って前記単蒸留塔７の中段に導入される。
【００２２】
一方、前記導管２５に分岐した１０℃の精製原料空気３９００Ｎｍ³ ／ｈは、前記主熱交換器５で−５２℃に冷却され、導管２８を通り、前記低温圧縮機６で５．１ｋｇ／ｃｍ² ａｂｓ．に圧縮された後、導管２９を通って再び前記主熱交換器５に流入し、前記戻りガス等によって露点温度付近まで冷却される。主熱交換器５で冷却されて導管３０に流出した高圧原料空気は、導管３１と導管３２とに分岐し、導管３１を通る３１００Ｎｍ³ ／ｈの高圧原料空気は、前記リボイラー１１で冷却されて凝縮し、導管３２を通る８００Ｎｍ³ ／ｈの高圧原料空気は、前記酸素蒸発器１４で冷却されて凝縮する。凝縮後の両原料空気は、導管３３及び導管３４から導管３５に合流し、前記過冷器９で更に冷却され、導管３６を通って膨張弁１７で減圧された後、導管３７から単蒸留塔７の中上部に導入される。
【００２３】
単蒸留塔７での蒸留操作によって塔上部に分離した窒素ガスは、塔頂部から導管３８に抜き出され、一部の窒素ガスが導管３９に分岐し、前記凝縮器８で液化水素蒸発昇温経路１５を流れる液化水素との熱交換により冷却されて凝縮し、導管４０を通って塔頂部に還流として戻される。なお、窒素ガスを液化水素と熱交換させる場合、凝縮器８において温流体である窒素ガスの冷端付近で窒素が固化し、窒素流路が閉塞するおそれがあるが、この閉塞を防ぐためには、設計段階において固化による堆積量を考慮し、窒素流路の通路断面積を大きくするなどの対策を講じればよい。
【００２４】
残りの窒素ガスは、前記導管３８から導管４１に流れ、過冷器９で加熱された後、導管４２を通って前記主熱交換器５に導入され、その一部１９００Ｎｍ³ ／ｈが導管４３に分岐して前記窒素圧縮機１０で５．９ｋｇ／ｃｍ² ａｂｓ．に低温状態で圧縮される。この圧縮窒素ガスは、導管４４を通って主熱交換器５の中間部に導入され、冷却された後、導管４５を通って酸素蒸発器１４に導入され、冷却されて凝縮し、液化窒素となる。この液化窒素は、導管４６から過冷器９に導入されて冷却された後、導管４７を通って膨張弁１８で減圧された後、導管４８から単蒸留塔７の頂部に導入される。
【００２５】
前記導管４２から主熱交換器５に導入され、前記原料空気と熱交換して０℃に加熱された窒素ガス８００５Ｎｍ³ ／ｈは、導管４９を流れて空気予冷器２に導入され、前記圧縮原料空気の冷却源として用いられる。空気予冷器２から導管５０に導出した窒素ガスの一部は、導管５１を通って再生加熱器１９で更に加熱された後、導管５２を通って前記精製設備３の再生ガスとして用いられる。
【００２６】
このように、主熱交換器５において精製設備から導出した精製原料空気と単蒸留塔７から抜き出した低温窒素ガスとの温端温度の差を５℃以上にすることにより、窒素ガスに原料空気予冷能力を持たせることができ、冷凍機等の動力を使用することなく圧縮原料空気の予冷を行うことができる。したがって、装置構成の簡略化が図れるとともに、製品低純度酸素ガスの原単位を大幅に低減することができる。
【００２７】
一方、前記単蒸留塔７の底部に分離した液化酸素は、塔底部の導管５３に抜き出され、その一部が導管５４に分岐して前記リボイラー１１に導入され、前記高圧原料空気の一部によって加熱されて蒸発し、導管５５から単蒸留塔７の底部に導入されて上昇ガスとなる。残りの液化酸素１９９５Ｎｍ³ ／ｈは、前記製品酸素ガス回収経路１２を流れ、液化酸素ポンプ１３で圧縮された後、導管１２ａを通って前記酸素蒸発器１４に導入され、前記高圧原料空気の一部によって加熱されて蒸発する。蒸発した酸素ガスは、導管１２ｂを通って前記主熱交換器５に流入し、原料空気と熱交換して０℃まで加熱され、導管１２ｃから製品低純度酸素ガスとして回収される。
【００２８】
また、前記液化水素蒸発昇温経路１５に導入された３９９０Ｎｍ³ ／ｈの液体水素は、前記凝縮器８で前記窒素ガスにより−１９５℃に加熱されて蒸発し、さらに、導管１５ａ，過冷器９，導管１５ｂ，主熱交換器５を流れて−１２０℃に昇温し、導管１５ｃから抜き出される。
【００２９】
本形態例では、単蒸留塔７から抜き出した液化酸素を液化酸素ポンプ１３で圧縮し、高圧で製品として回収するようにしているが、液化酸素ポンプ１３を省略して低圧で回収することもできる。この場合の本形態例における酸素の製品量に対する必要動力の比（酸素原単位）は、０．３２ｋＷｈ／Ｎｍ³ であった。
【００３０】
また、本形態例は、酸素流量に対する水素流量の比が１：２の場合の例である。水素の流量をさらに増加させ、単蒸留塔７の還流窒素を水素の寒冷のみで供給することができる場合には、導管４８を通って単蒸留塔７に還流を供給する循環窒素は不要となる。
【００３１】
上記形態例に示すように、深冷空気分離により酸素を製造するプロセスにおいて、液化水素を装置に導入し、その冷熱を利用して単蒸留塔７の還流液の少なくとも一部を得ることにより、従来のような高圧流体をタービンで膨張させることによる冷熱の供給を不要とすることができる。また、供給原料空気を一系統で圧縮し、前処理（精製）を行い、その後、低圧と高圧との二系統の供給空気に分岐させて蒸留分離を行うことにより、装置の簡略化も図れる。これらの改善を行うことで、従来プロセスと比較して製品回収率に対する動力の比を低減することができる。
【００３２】
図２は、本発明の第２形態例を示すもので、高圧塔１０１及び低圧塔１０２からなる複式蒸留塔１０３を備えた蒸留設備で原料空気の低温蒸留を行うことにより低純度酸素を製造するようにした例を示している。以下、本形態例において、９５％Ｏ₂ の低純度酸素を製造する場合に付いて説明する。
【００３３】
まず、１０２２１０Ｎｍ³ ／ｈの原料空気は、原料空気圧縮機１０４で３．２ｋｇｆ／ｃｍ² ａｂｓ．に圧縮され、導管１０５を通り、空気予冷器１０６で４℃に冷却された後、導管１０７を通って精製設備１０８に導入される。精製設備１０８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、導管１０９から導管１１０と導管１１１とに分岐する。導管１１０に分岐した精製原料空気４８０００Ｎｍ³ ／ｈは、前記空気予冷器１０６で圧縮原料空気と熱交換して６２℃に加熱された後、導管１１２を通って膨張タービン１１３に導入され、該膨張タービン１１３で１．５ｋｇ／ｃｍ² ａｂｓ．に減圧する。減圧後の低圧原料空気は、導管１１４から主熱交換器１１５に流入し、低温の戻りガスや低温水素ガスと熱交換を行って露点温度付近まで冷却され、導管１１６を通って前記低圧塔１０２の中段に導入される。
【００３４】
一方、前記導管１１１に分岐した１５℃の精製原料空気５４２１０Ｎｍ³ ／ｈは、前記主熱交換器１１５で−１４０℃に冷却され、導管１１７から低温圧縮機１１８に導入されて５．８ｋｇ／ｃｍ² ａｂｓ．に圧縮された後、導管１１９を通って再び前記主熱交換器１１５に流入し、前記戻りガス等によって露点温度付近まで冷却され、導管１２０を通って前記高圧塔１０１の下部に導入される。この原料空気は、高圧塔１０１内を上昇し、主凝縮器１２１で凝縮した液と気液接触を行うことにより、塔頂部の窒素と塔底部の酸素富化液化空気とに分離する。
【００３５】
主凝縮器１２１で凝縮して導管１２２に抜き出された液化窒素は、過冷器１２３で冷却された後、導管１２４を通り、弁１２５で低圧塔１０２の運転圧力に減圧された後、導管１２６を通って低圧塔１０２の頂部に導入される。
【００３６】
高圧塔１０１の塔底部から導管１２７に抜き出された酸素富化液化空気は、過冷器１２３で冷却され、導管１２８を通って弁１２９で低圧塔１０２の運転圧力に減圧された後、低圧塔１０２の中上段に導入される。
【００３７】
低圧塔１０２では、さらに蒸留が行われて塔頂部の窒素と塔底部の液化酸素とに分離する。塔下部から導管１３０に抜き出された２２３５５Ｎｍ³ ／ｈの酸素ガスは、前記主熱交換器１１５で原料空気と熱交換して１０℃に加熱され、導管１３１から製品酸素として回収される。
【００３８】
塔頂部から導管１３２に抜き出された窒素ガスの一部は、導管１３３に分岐して凝縮器１３４に導入され、導管１３５から導入される液化水素との熱交換によって凝縮し、導管１３６を通って前記導管１２６の液化窒素に合流して低圧塔１０２に戻される。また、導管１３２から導管１３７に進んだ７９８５５Ｎｍ³ ／ｈの窒素ガスは、前記過冷器１２３で寒冷を回収され、導管１３８を通って主熱交換器１１５で原料空気と熱交換して０℃に昇温し、導管１３９に導出する。
【００３９】
さらに、この導管１３９の窒素ガスは、導管１４０に至り、空気予冷器１０６で圧縮原料空気と熱交換を行い、圧縮原料空気を冷却するとともに、９０℃に加熱される。空気予冷器１０６から導管１４１に導出した加熱窒素ガスの一部は、導管１４２を通って再生加熱器１４３に導入され、精製設備１０８の再生ガスとして用いられる。また、導管１４１の窒素ガスの残部は、導管１４４に導出される。
【００４０】
前記導管１３５から導入される４２５００Ｎｍ³ ／ｈの液化水素は、凝縮器１３４で−１９５℃に加熱され、導管１４５，過冷器１２３を通って主熱交換器１１５に導入され、原料空気と熱交換して−１８０℃に昇温し、導管１４６から抜き出される。
【００４１】
本形態例における酸素原単位は、０．２５ｋＷｈ／Ｎｍ³ となり、図４に示した従来のプロセスと比較して、０．１３ｋＷｈ／Ｎｍ³ の削減が図れる。
【００４２】
図３は、本発明の第３形態例を示すもので、低純度酸素を高圧で製造するプロセスの一例を示している。なお、前記第２形態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。
【００４３】
原料空気圧縮機１０４で３．３ｋｇｆ／ｃｍ² ａｂｓ．に圧縮された１０６１００Ｎｍ³ ／ｈの原料空気は、前記第２形態例と同様に、空気予冷器１０６，精製設備１０８を経た後、導管１１０と導管１１１とに分岐する。導管１１０に分岐した４１１５０Ｎｍ³ ／ｈの精製原料空気は、空気予冷器１０６で６５℃に加熱され、膨張タービン１１３で１．５ｋｇ／ｃｍ² ａｂｓ．に減圧した後、主熱交換器１１５で露点温度付近まで冷却されてから低圧塔１０２の中段に導入される。
【００４４】
導管１１１に分岐した６４９５０Ｎｍ³ ／ｈ，１５℃の精製原料空気は、主熱交換器１１５で−１６５℃に冷却され、低温圧縮機１１８で５．８ｋｇ／ｃｍ² ａｂｓ．に圧縮された後、導管１５１と導管１５２とに分岐する。導管１５１の高圧原料空気は、再び主熱交換器１１５を経て露点温度付近まで冷却され、導管１２０を通って高圧塔１０１の下部に導入される。導管１５２の高圧原料空気は、昇圧機１５３で１３．０ｋｇ／ｃｍ² ａｂｓ．に昇圧され、導管１５４によって主熱交換器１１５に導入され、露点温度付近まで冷却されて液化した後、導管１５５を通って弁１５６で高圧塔１０１の運転圧力に減圧してから高圧塔１０１の下部に導入される。
【００４５】
このとき、液化した昇圧原料空気を高圧塔１０１に導入する導管１５５は、高圧原料空気を高圧塔１０１に導入する導管１２０の接続位置よりも、少なくとも１理論段上の位置に接続している。このように液化した昇圧原料空気を高圧原料空気より上段に導入することにより、この間の還流比（Ｌ／Ｖ）を１に近付けることができ、分離効果を向上させることができる。
【００４６】
高圧塔１０１及び低圧塔１０２では、前記同様の蒸留操作が行われ、低圧塔１０２の底部に液化酸素が、低圧塔１０２の頂部に窒素ガスがそれぞれ分離する。低圧塔１０２の底部から導管１５７に抜き出された２３３５５Ｎｍ³ ／ｈの液化酸素は、液化酸素ポンプ１５８で３５ｋｇｆ／ｃｍ² ａｂｓ．に圧縮された後、導管１５９により主熱交換器１１５に導入され、１０℃で導管１６０から抜き出される。
【００４７】
また、低圧塔１０２の頂部から導管１３２に抜き出された窒素ガスは、その一部が凝縮器１３４で液化水素との熱交換により凝縮して低圧塔１０２に戻され、導管１３７に進んだ８３２５５Ｎｍ³ ／ｈの窒素ガスは、過冷器１２３，主熱交換器１１５を経て導管１３９に導出し、導管１４０を通って一部が再生ガスとして用いられ、残部が導管１４４から導出される。
【００４８】
導管１３５から導入される４４３００Ｎｍ³ ／ｈの液化水素は、凝縮器１３４で−１９５℃に加熱され、さらに、主熱交換器１１５で加熱されて−１３０℃に昇温し、導管１４６から抜き出される。
【００４９】
本形態例における酸素原単位は、０．２８ｋＷｈ／Ｎｍ³ となり、図４に示した従来のプロセスにおいて、導管２１７に導出した酸素ガスを圧縮機で３５ｋｇｆ／ｃｍ² ａｂｓ．に圧縮する場合と比較して、０．２６ｋＷｈ／Ｎｍ³ の削減が図れる。
【００５０】
また、本形態例では、製品酸素を高圧で送り出すため、低圧塔１０２から酸素を液状で抜き出して液化酸素ポンプ１５８で圧縮した後に主熱交換器１１５で気化させるようにしているので、液化酸素の気化潜熱を補償するため、原料空気の一部を昇圧して主熱交換器１１５で液化させることにより、主熱交換器１１５の冷端側で温流体と冷流体との温度差が近接しないように、すなわち、適切な温度差を維持できるようにしている。
【００５１】
上記各形態例に示すように、深冷空気分離により低純度酸素を製造するプロセスにおいて、液化水素を装置に導入し、その冷熱を利用して蒸留塔の還流液の少なくとも一部を得ることにより、従来のような高圧流体をタービンで膨張させることによる冷熱の供給を不要とすることができる。また、供給原料空気を一系統で圧縮し、前処理（精製）を行い、その後、低圧及び高圧の二系統の供給空気に分岐して蒸留分離を行うことにより、装置の簡略化も図れる。これらの改善を行うことで、従来プロセスと比較して製品回収率に対する動力の比を低減することができる。
【００５２】
さらに、各形態例に示すように、主熱交換器には、酸素との反応性が強い水素と酸素含有流体とが熱交換を行うので、主熱交換器の通路構成を、水素が流れる通路と、その他の酸素含有流体、即ち製品酸素や原料空気が流れる通路との間に、前記蒸留塔（単蒸留塔７，低圧塔１０２）から抜き出した窒素ガスの通路を設けた構成とすることにより、各通路間の仕切板に万一漏洩が発生したとしても、水素と酸素、あるいは、水素と空気とが直接接触することがなくなるので、爆発の危険性を回避することができ、安全性を高めることができる。
【００５３】
また、前記各形態例における酸素原単位は、各蒸留塔を多孔板トレイを使用した棚段式で形成した場合の数値であり、各蒸留塔を、あるいは高圧塔及び低圧塔のいずれか一方を充填式の蒸留塔とした場合には、棚段式に比べて圧力損失が少ないので、この圧力損失減少に伴って動力削減効果も更に大きくなる。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の低純度酸素の製造方法及び装置によれば、液化水素の冷熱を空気分離の寒冷源として使用するので、効率的な空気分離プロセスが可能となる。この場合、冷熱を補給するためのタービンは不要となり、高圧の流体を全て蒸留に使用できる。
【００５５】
また、低純度酸素を製造するプロセスにおいては、蒸留塔下部の酸素を濃縮する部分の下降液及び上昇ガスの量を、高純度酸素ガスを製造するプロセスに比較して少なくすることができるため、原料空気の一部を蒸留塔（単蒸留塔あるいは低圧塔）の中部に低圧で導入することができ、蒸留塔底部におけるリボイル量を減少させることができる。
【００５６】
さらに、蒸留塔に導入する高圧の原料空気と低圧の原料空気とを得るため、圧縮、精製後の原料空気の一部をタービンで膨張させ、残りの空気をこのタービンで得られた仕事を利用して圧縮することにより、原料空気圧縮機及び原料空気の精製を行う前処理設備は一系統で、高圧及び低圧の両原料空気を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１形態例を示す系統図である。
【図２】 本発明の第２形態例を示す系統図である。
【図３】 本発明の第３形態例を示す系統図である。
【図４】 従来の低純度酸素製造プラント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、２…空気予冷器、３…精製設備、４…膨張タービン、５…主熱交換器、６…低温圧縮機、７…単蒸留塔、８…凝縮器、９…過冷器、１０…窒素圧縮機、１１…リボイラー、１２…製品酸素ガス回収経路、１３…液化酸素ポンプ、１４…酸素蒸発器、１５…液化水素蒸発昇温経路、１６…軸、１７，１８…膨張弁、１９…再生加熱器、１０１…高圧塔、１０２…低圧塔、１０３…複式蒸留塔、１０６…空気予冷器、１０８…精製設備、１１３…膨張タービン、１１５…主熱交換器、１１８…低温圧縮機、１２１…主凝縮器、１２３…過冷器、１３４…凝縮器、１４３…再生加熱器、１５３…昇圧機、１５８…液化酸素ポンプ

Claims (22)

1. 液化水素の冷熱を利用して原料空気を低温蒸留することにより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２系統に分岐し、一方は膨張させ、他方は低温で圧縮する工程と、膨張させた低圧原料空気及び低温圧縮した高圧原料空気を低温蒸留で得られた流体及び冷熱を供給する液化水素との熱交換により冷却する工程と、低圧及び高圧原料空気を低温蒸留することにより酸素と窒素とに分離する工程と、低温蒸留で得られた窒素ガスの少なくとも一部を液化水素によって凝縮させる工程と、低温蒸留で得られた酸素の少なくとも一部を製品として回収する工程とを含むことを特徴とする低純度酸素の製造方法。
2. 液化水素の冷熱を利用して原料空気を単蒸留塔で低温蒸留することにより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２系統に分岐し、一方は膨張させ、他方は低温で圧縮する工程と、膨張させた低圧原料空気及び低温圧縮した高圧原料空気を低温蒸留で得られた流体及び冷熱を供給する液化水素との熱交換により冷却する工程と、冷却された高圧原料空気を凝縮させる工程と、低圧及び高圧原料空気を前記単蒸留塔に導入して低温蒸留することにより酸素と窒素とに分離する工程と、低温蒸留で得られた窒素ガスの少なくとも一部を液化水素によって凝縮させる工程と、低温蒸留で得られた窒素ガスの少なくとも一部を圧縮し、凝縮した後、還流液として単蒸留塔に供給する工程と、低温蒸留で得られた酸素の少なくとも一部を製品として回収する工程とを含むことを特徴とする低純度酸素の製造方法。
3. 液化水素の冷熱を利用して原料空気を高圧塔及び低圧塔を有する蒸留設備で低温蒸留することにより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２系統に分岐し、一方は膨張させ、他方は低温で圧縮する工程と、膨張させた低圧原料空気及び低温圧縮した高圧原料空気を低温蒸留で得られた流体及び冷熱を供給する液化水素との熱交換により冷却する工程と、低圧原料空気を前記低圧塔に導入するとともに高圧原料空気を前記高圧塔に導入して低温蒸留することにより酸素と窒素とに分離する工程と、低温蒸留で得られた低圧塔上部の窒素ガスの少なくとも一部を液化水素によって凝縮させる工程と、低温蒸留で得られた低圧塔下部の酸素の少なくとも一部を製品として回収する工程とを含むことを特徴とする低純度酸素の製造方法。
4. 前記低温で圧縮する原料空気は、前記原料空気の膨張による仕事を利用して圧縮することを特徴とする請求項１，２又は３記載の低純度酸素の製造方法。
5. 前記低温で圧縮する原料空気は、前記精製工程を終えた原料空気の温度と、前記低温蒸留を行う温度との間の温度で低温圧縮工程に供給されることを特徴とする請求項１，２又は３記載の低純度酸素の製造方法。
6. 前記膨張させる原料空気を、膨張させる前に加熱することを特徴とする請求項１，２又は３記載の低純度酸素の製造方法。
7. 前記原料空気と低温蒸留で得られた流体及び冷熱を供給する液化水素との熱交換は、前記精製原料空気の温度と低温蒸留で得られた窒素ガスとの温端温度差を５℃以上とし、かつ、該窒素ガスを前記圧縮原料空気の予冷に利用することを特徴とする請求項１，２又は３記載の低純度酸素の製造方法。
8. 前記酸素の回収は、低温蒸留で得られた液化酸素を圧縮し、次いで原料空気の少なくとも一部との熱交換によって蒸発させることにより行うことを特徴とする請求項１又は３記載の低純度酸素の製造方法。
9. 前記酸素の回収は、低温蒸留で得られた液化酸素を圧縮し、次いで原料空気の一部及び前記圧縮した窒素ガスのいずれか一方又は双方との熱交換によって蒸発させることにより行うことを特徴とする請求項２記載の低純度酸素の製造方法。
10. 前記低温圧縮した高圧原料空気の一部を更に昇圧し、該昇圧原料空気を低温蒸留で得られた流体及び冷熱を供給する液化水素との熱交換により液化した後、前記高圧塔に導入することを特徴とする請求項３記載の低純度酸素の製造方法。
11. 前記液化した昇圧原料空気は、前記高圧塔における高圧原料空気の導入位置よりも、少なくとも１理論段上の位置で高圧塔に導入することを特徴とする請求項１０記載の低純度酸素の製造方法。
12. 液化水素の冷熱を利用して原料空気を低温蒸留することにより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、精製原料空気の一部を低温で圧縮する低温圧縮機と、残部の精製原料空気を膨張させるタービンと、膨張させた低圧原料空気及び低温圧縮した高圧原料空気と低温蒸留で得られた流体及び冷熱を供給する液化水素とを熱交換させて原料空気を冷却する主熱交換器と、主熱交換器で冷却された原料空気を低温蒸留して窒素と酸素とに分離する蒸留塔と、蒸留塔の頂部から抜き出した窒素ガスの一部を凝縮させる熱交換器と、蒸留塔で生成した酸素の少なくとも一部を製品として回収する経路とを備えていることを特徴とする低純度酸素の製造装置。
13. 液化水素の冷熱を利用して原料空気を低温蒸留することにより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、精製原料空気の一部を低温で圧縮する低温圧縮機と、精製原料空気の残りを膨張させるタービンと、膨張させた低圧原料空気及び低温圧縮した高圧原料空気と低温蒸留で得られた流体及び冷熱を供給する液化水素とを熱交換させて原料空気を冷却する主熱交換器と、主熱交換器で冷却された原料空気を低温蒸留して窒素と酸素とに分離する単蒸留塔と、単蒸留塔底部の液を蒸発させる熱交換器と、低温蒸留で得られた液化酸素を蒸発させる熱交換器と、単蒸留塔の頂部から抜き出した窒素ガスの一部を凝縮させる熱交換器と、単蒸留塔の頂部から抜き出した窒素ガスの一部を圧縮する圧縮機と、単蒸留塔で生成した酸素の少なくとも一部を製品として回収する経路とを備えていることを特徴とする低純度酸素の製造装置。
14. 液化水素の冷熱を利用して原料空気を低温蒸留することにより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、精製原料空気の一部を低温で圧縮する低温圧縮機と、残部の精製原料空気を膨張させるタービンと、膨張させた低圧原料空気及び低温圧縮した高圧原料空気と低温蒸留で得られた流体及び冷熱を供給する液化水素とを熱交換させて原料空気を冷却する主熱交換器と、主熱交換器で冷却された原料空気を低温蒸留して窒素と酸素とに分離する高圧塔及び低圧塔からなる複式蒸留塔と、低圧塔頂部から抜き出した窒素ガスの一部を凝縮させる熱交換器と、低圧塔で生成した酸素の少なくとも一部を製品として回収する経路とを備えていることを特徴とする低純度酸素の製造装置。
15. 前記タービンと前記低温圧縮機とが同軸上に連結されていることを特徴とする請求項１２，１３又は１４記載の低純度酸素の製造装置。
16. 前記圧縮原料空気と低温蒸留によって得られた流体とを熱交換させて圧縮原料空気を予冷する熱交換器を備えていることを特徴とする請求項１２，１３又は１４記載の低純度酸素の製造装置。
17. 前記タービンで膨張させる原料空気を、膨張前に加熱する熱交換器を備えていることを特徴とする請求項１２，１３又は１４記載の低純度酸素の製造装置。
18. 前記酸素を製品として回収する経路は、低温蒸留によって得られた液化酸素を圧縮するポンプを備えていることを特徴とする請求項１２，１３又は１４記載の低純度酸素の製造装置。
19. 前記蒸留塔が、充填蒸留塔であることを特徴とする請求項１２，１３又は１４記載の低純度酸素の製造装置。
20. 前記主熱交換器は、冷熱を供給する水素の通路と、その他の酸素含有流体の通路との間に、窒素の通路が介在していることを特徴とする請求項１２，１３又は１４記載の低純度酸素の製造装置。
21. 前記低温圧縮機を導出した高圧原料空気の一部を昇圧する昇圧機と、該昇圧機で昇圧した昇圧原料空気を前記主熱交換器を介して高圧塔に導入する経路とを備えていることを特徴とする請求項１４記載の低純度酸素の製造装置。
22. 前記昇圧原料空気を高圧塔に導入する経路は、該高圧塔に導入される前記高圧原料空気の導入位置よりも、少なくとも１理論段上の位置に接続していることを特徴とする請求項２１記載の低純度酸素の製造装置。

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