特許 6354516 深冷空気分離装置及び深冷空気分離方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6354516

(24)【登録日】2018年6月22日

(45)【発行日】2018年7月11日

(54)【発明の名称】深冷空気分離装置及び深冷空気分離方法

(51)【国際特許分類】

   F25J 3/04 20060101AFI20180702BHJP

   F25J 3/02 20060101ALI20180702BHJP

【ＦＩ】

   F25J3/04 101

   F25J3/02 A

【請求項の数】8

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2014-214003(P2014-214003)

(22)【出願日】2014年10月20日

(65)【公開番号】特開2016-80296(P2016-80296A)

(43)【公開日】2016年5月16日

【審査請求日】2017年6月5日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】新日鐵住金株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101557

【弁理士】

【氏名又は名称】萩原 康司

(74)【代理人】

【識別番号】100096389

【弁理士】

【氏名又は名称】金本 哲男

(74)【代理人】

【識別番号】100095957

【弁理士】

【氏名又は名称】亀谷 美明

(72)【発明者】

【氏名】姫田 章夫

【審査官】 関根 崇

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０７−１５９０２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０２１４５７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２５Ｊ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

空気圧縮機で圧縮された原料空気から製品窒素及び製品酸素を生成する高圧塔及び低圧塔と、前記高圧塔で分離された窒素を凝縮して液化する熱交換器を備え、当該熱交換器で液化した窒素を高圧塔に還流させる主凝縮器と、を有する深冷空気分離装置であって、
前記原料空気中の窒素濃度が上昇した場合の構成として、
前記空気圧縮機から供給される原料空気の一部を、前記高圧塔をバイパスさせて前記主凝縮器に供給する第１のバイパス管と、
前記第１のバイパス管に設けられ、前記第１のバイパス管を流れる前記空気圧縮機から供給される原料空気の流量を調整するバイパス弁と、
前記主凝縮器で冷却した後の原料空気を、前記高圧塔をバイパスして前記低圧塔に供給する第２のバイパス管と、
前記第２のバイパス管に設けられた、前記主凝縮器で冷却された原料空気を膨張させる膨張機構と、
を有し、
前記主凝縮器は、前記第１のバイパス管から供給される原料空気を前記主凝縮器内の液体酸素と熱交換して冷却することで、前記主凝縮器からの液体酸素の蒸発量を前記原料空気中の窒素濃度が上昇する前より増加させる、深冷空気分離装置。

【請求項2】

前記低圧塔における、当該低圧塔の上部に設けられた廃窒素管と、前記低圧塔の下部に設けられた製品酸素管との間の位置に設けられ、前記低圧塔内の窒素温度を検出する低圧塔窒素温度検出機構と、
前記低圧塔窒素温度検出機構の検出温度に基づいて前記低圧塔内の窒素ガス量の増加を検知し、当該検出結果に基づいて前記バイパス弁を流れる原料空気の流量を制御する制御装置と、を有する、請求項１に記載の深冷空気分離装置。

【請求項3】

前記第１のバイパス管は、前記低圧塔における、当該低圧塔の上部に設けられた廃窒素管と、前記低圧塔の下部に設けられた製品酸素管との間の位置に接続されている、請求項１または２のいずれか一項に記載の深冷空気分離装置。

【請求項4】

前記主凝縮器の内部には、前記第１のバイパス管から供給される原料空気を冷却する気液熱交換器が設けられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の深冷空気分離装置。

【請求項5】

空気圧縮機で圧縮された原料空気から製品窒素及び製品酸素を生成する高圧塔及び低圧塔と、前記高圧塔で分離された窒素を凝縮して液化する熱交換器を備え、当該熱交換器で液化した窒素を高圧塔に還流させる主凝縮器と、を有する深冷空気分離装置における深冷空気分離方法であって、
前記原料空気中の窒素濃度が上昇した場合に、
前記空気圧縮機から供給される原料空気の一部を、前記高圧塔をバイパスさせて前記主凝縮器に供給し、前記主凝縮器内の液体酸素と熱交換して冷却することで、前記主凝縮器からの液体酸素の蒸発量を、前記原料空気中の窒素濃度が上昇する前より増加させ、
前記主凝縮器で冷却した後の原料空気を膨張させ、当該膨張させた原料空気を前記低圧塔に供給する、深冷空気分離方法。

【請求項6】

前記低圧塔における、当該低圧塔の上部に設けられた廃窒素管と、前記低圧塔の下部に設けられた製品酸素管との間の位置で前記低圧塔内の温度を検出し、
前記検出された温度に基づいて前記低圧塔内の窒素ガス量の増加を検知し、
当該窒素ガス量の増加量に応じて、前記高圧塔をバイパスさせて前記主凝縮器から前記低圧塔に供給する原料空気の流量を制御する、請求項５に記載の深冷空気分離方法。

【請求項7】

前記主凝縮器で冷却した後に膨張させた原料空気を、前記低圧塔における、当該低圧塔の上部に設けられた廃窒素管と、前記低圧塔の下部に設けられた製品酸素管との間の位置に供給する、請求項５または６のいずれか一項に記載の深冷空気分離方法。

【請求項8】

前記主凝縮器の内部には、前記原料空気を冷却する気液熱交換器が設けられ、
前記原料空気の冷却を、前記気液熱交換器で行う、請求項５〜７のいずれか一項に記載の深冷空気分離方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、原料空気から酸素、窒素及びアルゴンを分離する深冷空気分離装置及び深冷空気分離方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、例えば製鉄所などに設置される空気の液化分離システム、いわゆる深冷空気分離システムでは、空気圧縮機により圧縮した原料空気を水洗冷却塔で予冷し、その後精留塔で原料空気から酸素と窒素の分離が行われる。そして、精留塔分離された酸素は製品酸素として、また窒素は製品窒素としてそれぞれ需要先に供給される。

【0003】

このような深冷空気分離システムでは、精留塔の安定運転を行うために様々な運転方法が提案されている。

【0004】

例えば特許文献１には、低圧塔と高圧塔により構成される精留塔のうち、高圧塔の底部で液体空気の温度が低下した場合、低圧塔へ還流する窒素の流量を増加させて、精留塔全体としての寒冷バランスを維持することで、アルゴン原料ガスの抽出部を安定させることが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平６−３０４８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、本発明者らによれば、空気圧縮機から供給される原料空気中の酸素濃度が一時的に低下する、換言すれば、原料空気中の窒素濃度が一時的に上昇する場合が有ることが確認されている。これは、製鉄所内の他の設備からのオフガス等の影響によるものであると推察される。

【0007】

かかる場合、精留塔で生成される製品酸素量が低下してしまい、供給不足となってしまう。そこで、原料空気中の窒素濃度が増加した際は、一時的に空気圧縮機からの原料空気の供給量を増加させ、廃窒素としての排出分を増加させることで、精留塔へ供給する酸素の絶対量を維持することが考えられる。

【0008】

しかしながら、精留塔へ原料空気を供給してから製品酸素が生成されるまでの時定数が大きいため、原料空気中の窒素濃度増加を検出してから原料空気量を増加させても、製品酸素の不足には対応できない。したがって現状は、一時的な製品酸素不足に対応するために、原料空気の量を計画の値よりも常時増加させた状態にしている。

【0009】

そして、製品酸素を増加させるために原料空気の供給量を増加させようとすると、空気圧縮機からはその数倍の窒素も同時に供給されるため、一時的な製品酸素の増加に対応するために、空気圧縮機の動力を大幅に増大させる必要がある。また、原料空気の供給量の増加により、精留塔に供給される窒素の絶対量が増加した結果、精留塔から外部に放出する廃窒素の量も増加してしまう。その結果、使用先のない廃窒素を大量に生産することとなり、ランニングコストやエネルギー的な観点から好ましくない。

【0010】

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、深冷空気分離装置において、特に製品酸素の生成量が低下した際に迅速に安定した状態に戻し、製品酸素の生成量を安定化させることを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0011】

前記の目的を達成するための本発明は、空気圧縮機で圧縮された原料空気から製品窒素及び製品酸素を生成する高圧塔及び低圧塔と、前記高圧塔で分離された窒素を凝縮して液化する熱交換器を備え、当該熱交換器で液化した窒素を高圧塔に還流させる主凝縮器と、を有する深冷空気分離装置であって、前記原料空気中の窒素濃度が上昇した場合の構成として、前記空気圧縮機から供給される原料空気の一部を、前記高圧塔をバイパスさせて前記主凝縮器に供給する第１のバイパス管と、前記第１のバイパス管に設けられ、前記第１のバイパス管を流れる前記空気圧縮機から供給される原料空気の流量を調整するバイパス弁と、前記主凝縮器で冷却した後の原料空気を、前記高圧塔をバイパスして前記低圧塔に供給する第２のバイパス管と、前記第２のバイパス管に設けられた、前記主凝縮器で冷却された原料空気を膨張させる膨張機構と、を有し、前記主凝縮器は、前記第１のバイパス管から供給される原料空気を前記主凝縮器内の液体酸素と熱交換して冷却することで、前記主凝縮器からの液体酸素の蒸発量を前記原料空気中の窒素濃度が上昇する前より増加させる。

【0012】

本発明者は、主凝縮器には液体酸素が冷媒として貯留されているので、一時的に低圧塔内の製品酸素の体積を増加させる際に、この主凝縮器内の液体酸素を利用できれば、空気圧縮機から供給する原料空気の量の増加によるリカバリーまでの遅れ時間を低減できると考えた。本発明はこのような知見に基づくものであり、空気圧縮機から供給される原料空気の一部を主凝縮器で熱交換して冷却する第１のバイパス管と、冷却後の原料空気を、高圧塔をバイパスして低圧塔に供給する第２のバイパス管を備えているので、原料空気により主凝縮器内の酸素を蒸発させ低圧塔内の酸素の体積を短時間で回復させることができる。かかる場合、製品酸素の体積を増加させるにあたり、主凝縮器内の酸素を体積増加分に対応する量だけ蒸発させるように空気圧縮機からの原料空気の供給量を増加させればよい。したがって、原料空気の全量を高圧塔から低圧塔に供給して製品酸素の体積を増加させる場合と比較して、空気圧縮機からの原料空気の供給量を大幅に低減できる。また、特に製品酸素の生成量の低下に対して迅速に対応できる。その結果、深冷空気分離装置において、製品酸素の生成量を効率的に安定化させることができる。

【0013】

また、第２のバイパス管を流れる原料空気を膨張させる膨張機構を有しているので、低圧塔内の寒冷バランスを維持し、高圧塔をバイパスして低圧塔に直接原料空気を供給した場合であっても、低圧塔の安定運転を維持できる。

【0015】

前記低圧塔における、当該低圧塔の上部に設けられた廃窒素管と、前記低圧塔の下部に設けられた製品酸素管との間の位置に設けられ、前記低圧塔内の窒素温度を検出する低圧塔窒素温度検出機構と、前記低圧塔窒素温度検出機構の検出温度に基づいて前記低圧塔内の窒素ガス量の増加を検知し、当該窒素ガス量の増加量に基づいて前記バイパス弁を流れる原料空気の流量を制御する制御装置と、を有していてもよい。

【0016】

前記第１のバイパス管は、前記低圧塔における、当該低圧塔の上部に設けられた廃窒素管と、前記低圧塔の下部に設けられた製品酸素管との間の位置に接続されていてもよい。

【0017】

前記主凝縮器の内部には、前記第１のバイパス管から供給される原料空気を冷却する気液熱交換器が設けられていてもよい。

【0018】

別の観点による本発明は、空気圧縮機で圧縮された原料空気から製品窒素及び製品酸素を生成する高圧塔及び低圧塔と、前記高圧塔で分離された窒素を凝縮して液化する熱交換器を備え、当該熱交換器で液化した窒素を高圧塔に還流させる主凝縮器と、を有する深冷空気分離装置における深冷空気分離方法であって、前記原料空気中の窒素温度が上昇した場合に、前記空気圧縮機から供給される原料空気の一部を、前記高圧塔をバイパスさせて前記主凝縮器に供給し、前記主凝縮器内の液体酸素と熱交換して冷却することで、前記主凝縮器からの液体酸素の蒸発量を、前記原料空気中の窒素濃度が上昇する前より増加させ、前記主凝縮器で冷却した後の原料空気を膨張させ、当該膨張させた原料空気を前記低圧塔に供給する。

【0019】

前記低圧塔における、当該低圧塔の上部に設けられた廃窒素管と、前記低圧塔の下部に設けられた製品酸素管との間の位置で前記低圧塔内の温度を検出し、前記検出された温度に基づいて前記低圧塔内の窒素ガス量の増加を検知し、当該窒素ガス量の増加量に応じて、前記高圧塔をバイパスさせて前記主凝縮器から前記低圧塔に供給する原料空気の流量を制御してもよい。

【0020】

前記主凝縮器で冷却した後に膨張させた原料空気を、前記低圧塔における、当該低圧塔の上部に設けられた廃窒素管と、前記低圧塔の下部に設けられた製品酸素管との間の位置に供給してもよい。

【0021】

前記主凝縮器の内部には、前記原料空気を冷却する気液熱交換器が設けられ、前記原料空気の冷却を、前記気液熱交換器で行ってもよい。

【発明の効果】

【0022】

本発明によれば、深冷空気分離装置において、オフガス等の影響で製品酸素の生成量が低下しても迅速に安定した状態に戻し、製品酸素の生成量を安定化させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本実施の形態にかかる深冷空気分離システムの構成を示すプロセスフロー図である。

【図2】正常時の低圧塔内の気体の分布状況を模式的に示す説明図である。

【図3】異常時の低圧塔内の気体の分布状況を模式的に示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態にかかる深冷空気分離装置を備えた深冷空気分離システム１の構成を示すプロセスフロー図である。

【0025】

深冷空気分離システム１は、吸入フィルタ１０を介して吸込まれた空気を圧縮して原料空気として供給する空気圧縮機１１と、冷却水と原料空気を接触させることで原料空気の冷却及び除塵を行う水洗冷却塔１２と、水洗冷却塔１２を通過した原料空気から水と二酸化炭素を除去するＭＳ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｓｉｅｖｅ）吸着器１３と、原料空気を所定の温度まで冷却する主熱交換器１４と、原料空気から製品酸素と製品窒素とに分離する精留塔１５と、を有している。

【0026】

精留塔１５は高圧塔１５ａと低圧塔１５ｂを有している。高圧塔１５ａは、低圧塔１５ｂの下方に配置されている。また、高圧塔１５ａと低圧塔１５ｂの間には、主凝縮器１５ｃが設けられている。ＭＳ吸着器１３と主熱交換器１４と高圧塔１５ａは、原料空気管２０により直列に接続されている。原料空気管２０のＭＳ吸着器１３と主熱交換器１４の間には、分岐管２０ａが設けられている。分岐管２０ａは、低圧塔１５ｂの中段付近に接続されており、分岐管２０ａと低圧塔１５ｂの間には膨張タービン２１が設けられている。分岐管２０ａにより低圧塔１５ｂに送られる原料空気は、膨張タービン２１と同軸に設けられた図示しない圧縮機により圧縮された後に主熱交換器１４で冷却され、再び膨張タービンにより断熱膨張されることで低温低圧になる。これにより、精留塔１５に寒冷を補充している。

【0027】

高圧塔１５ａ及び低圧塔１５ｂの内部には、気体と液体との接触面積を確保するための充填物を収容した棚（図示せず）が複数設けられている。そして、高圧塔１５ａ及び低圧塔１５ｂの内部では、各塔１５ａ、１５ｂの上部から供給する低温の液体と、各塔１５ａ、１５ｂの下部から供給する、前記液体よりも温度の高い気体とを気液接触させることで、気体と液体の熱交換が行われる。

【0028】

低圧塔１５ｂの底部と主凝縮器１５ｃとの間は、液体酸素管２２により接続されており、低圧塔１５ｂ底部の液体酸素は液体酸素管２２を介して主凝縮器１５ｃに流れ込む。主凝縮器１５ｃの内部には、高圧塔１５ａの頂部に接続された頂部窒素管２３を介して高圧塔１５ａから供給された窒素と、主凝縮器１５ｃ内の液体酸素との熱交換を行う熱交換器２４が複数、図１では２つ設けられている。熱交換器２４で熱交換して冷却された窒素は、高圧塔１５ａに還流すると共に、高圧塔１５ａの頂部に接続された頂部還流管２５を介して低圧塔１５ｂの上部にも還流する。

【0029】

高圧塔１５ａにおける頂部還流管２５よりも下方の位置には、低圧塔１５ｂにおける頂部還流管２５が接続された位置より下方に連通する中部還流管２６が接続されており、高圧塔１５ａの中段部の気体が低圧塔１５ｂに還流する。

【0030】

また、主凝縮器１５ｃの内部には、後述する第１のバイパス管４０を介して供給される原料空気と主凝縮器１５ｃ内の液体酸素との熱交換を行う気液熱交換器２７が、図１では１つ設けられている。熱交換器２４や気液熱交換器２７での熱交換により蒸発した液体酸素は、主凝縮器１５ｃの頂部に接続された酸素還流管２８を介して低圧塔１５ｂの底部近傍に還流する。なお、熱交換器２４や気液熱交換器２７の数や配置は本実施の形態の内容に限定されるものではなく、任意に設定が可能である。

【0031】

また、高圧塔１５ａの底部には、当該高圧塔１５ａの底部に溜まった液体空気を低圧塔１５ｂにおける中部還流管２６よりも下方の位置に還流させる液体空気管３０が接続されている。なお、液体空気管３０には、精留塔１５内に溜まった酸素及びアルゴンを含有するアルゴン原料ガスから粗アルゴンを生成する粗アルゴン塔（図示せず）に液体空気を供給する供給管（図示せず）が分岐して設けられている。また、頂部還流管２５、中部還流管２６及び液体空気管３０における低圧塔１５ｂの近傍には、図示しない膨張弁がそれぞれ設けられ、各管２５、２６、３０内を流れる流体は当該膨張弁により断熱膨張されて低圧塔１５ｂに還流する。

【0032】

低圧塔１５ｂでは、高圧塔１５ａで粗精留された原料空気がさらに精留され、低圧塔１５ｂの上部には窒素が溜まる。このとき、低圧塔１５ｂの上部ほど窒素の純度が高くなる。また、低圧塔１５ｂの下部には製品酸素が溜まる。そして、低圧塔１５ｂの頂部には、低圧塔１５ｂから純度の高い製品窒素を抽出する製品窒素抽出管３１が設けられている。製品窒素抽出管３１により抽出された製品窒素は主熱交換器１４に送られ、主熱交換器１４で原料空気と熱交換を行う。

【0033】

また、低圧塔１５ｂの下部には、低圧塔１５ｂから製品酸素を抽出する製品酸素抽出管３２が設けられている。製品酸素抽出管３２により抽出された製品酸素も主熱交換器１４に送られ、主熱交換器１４で原料空気と熱交換を行う。主熱交換器１４で熱交換後の製品窒素及び製品酸素は、例えば製鉄所内へ供給される。

【0034】

また、低圧塔１５ｂの製品窒素抽出管３１より下方には、製品窒素より純度の低い廃窒素を抽出する廃窒素抽出管３３が設けられている。廃窒素抽出管３３により抽出された廃窒素は、主熱交換器１４で原料空気と熱交換を行った後、さらにＭＳ吸着器１３に送られる。ＭＳ吸着器１３では、当該ＭＳ吸着器１３に吸着した二酸化炭素や水分を廃窒素により除去する再生工程が行われる。

【0035】

原料空気管２０における主熱交換器１４と高圧塔１５ａの間からは、原料空気の一部を高圧塔１５ａをバイパスさせて主凝縮器１５ｃに供給する、第１のバイパス管４０が分岐して設けられている。第１のバイパス管４０は、気液熱交換器２７に接続され、第１のバイパス管４０から供給される原料空気は、主凝縮器１５ｃ内の液体酸素と熱交換（冷却）される。また、第１のバイパス管４０には、当該第１のバイパス管４０を流れる原料空気の流量を制御するバイパス弁４１が設けられている。

【0036】

気液熱交換器２７には、当該気液熱交換器２７で冷却された原料空気を低圧塔１５ｂにおける例えば廃窒素抽出管３３よりも低く且つ製品酸素抽出管３２よりも高い位置に供給する第２のバイパス管４２が接続されている。第２のバイパス管４２における低圧塔１５ｂの近傍には、第２のバイパス管４２の内部を流れる原料空気を断熱膨張する膨張機構としての膨張弁４３が設けられている。これにより、第２のバイパス管４２を流れる原料空気の圧力及び温度が低下し、精留塔１５に寒冷が補充される。その結果、第１のバイパス管４０から原料空気が供給され、精留塔１５に熱が持ち込まれた場合であっても、第２のバイパス管４２から補充される寒冷により相殺され、精留塔１５全体としての寒冷バランスが維持される。

【0037】

なお、低圧塔１５ｂにおける分岐管２０ａの近傍には、低圧塔１５ｂ内の雰囲気温度（窒素温度）を検出する低圧塔窒素温度検出機構５０が設けられている。低圧塔窒素温度検出機構５０の配置は本実施の形態の内容に限定されるものではなく、低圧塔１５ｂ内の窒素温度、特に、酸素が混合した状態の窒素の温度を測定できれば、その配置は任意に設定が可能である。但し、後述するように、低圧塔窒素温度検出機構５０で検出された温度から低圧塔１５ｂ内での窒素濃度の上昇を検知するためには、廃窒素抽出管３３より下方であって、製品酸素抽出管３２よりも上方に設けることが好ましい。

【0038】

また、本実施の形態にかかる深冷空気分離装置は、精留塔１５、即ち高圧塔１５ａ、低圧塔１５ｂ及び主凝縮器１５ｃ、並びに高圧塔１５ａ、低圧塔１５ｂ、主凝縮器１５ｃとの間を接続する各種管により構成されている。

【0039】

以上の深冷空気分離システムには、図１に示すように、制御装置１００が設けられている。制御装置１００は、例えばＣＰＵやメモリなどを備えたコンピュータにより構成され、低圧塔窒素温度検出機構５０での温度の検出結果やバイパス弁４１、膨張弁４３といった各種機器の動作状態を監視すると共に、各種機器の動作の制御を行うことにより、深冷空気分離システム１における深冷空気分離方法が実現される。

【0040】

本実施の形態にかかる深冷空気分離システム１は以上のように構成されており、次に、深冷空気分離システム１における深冷空気分離方法について説明する。

【0041】

空気圧縮機１１で圧縮されて高温高圧となった原料空気は、先ず水洗冷却塔１２に供給される。水洗冷却塔１２では、原料空気の冷却及び除塵が行われ、次いでＭＳ吸着器１３に供給される。ＭＳ吸着器１３では精留塔１５での氷の発生を防止するために、原料空気から水と二酸化炭素が除去される。

【0042】

ＭＳ吸着器１３を通過した原料空気は主熱交換器１４に供給されて、主熱交換器１４により例えば約−１７０℃程度まで冷却される。冷却された原料空気は一部液化した状態で高圧塔１５ａに供給され、高圧塔１５ａの底部には液体空気が徐々に溜まっていく。この際、高圧塔１５ａ内の圧力は概ね０．４〜０．５ＭＰａ程度に維持される。また、ＭＳ吸着器１３を通過した原料空気の一部は分岐管２０ａにより膨張タービン２１に導かれ、膨張タービン２１で断熱膨張した原料空気が低圧塔１５ｂに供給される。この際、低圧塔１５ｂ内の圧力は概ね０．０４ＭＰａ程度に維持される。

【0043】

高圧塔１５ａの底部に溜まった液体空気は、液体空気管３０及び液体空気管３０に設けられた図示しない膨張弁を介して気液混合状態で低圧塔１５ｂの中間部に供給される。これにより、窒素よりも沸点の高い酸素が、液体酸素として低圧塔１５ｂの底部に徐々に溜まっていく。

【0044】

低圧塔１５ｂの底部に溜まった液体酸素は液体酸素管２２を介して主凝縮器１５ｃへと流下し、主凝縮器１５ｃ内に溜まっていく。主凝縮器１５ｃでは、頂部窒素管２３を介して高圧塔１５ａから熱交換器２４に供給される窒素と、主凝縮器１５ｃ内の液体酸素とが熱交換され、蒸発した酸素は酸素還流管２８を介して低圧塔１５ｂに還流する。また、主凝縮器１５ｃで冷却された窒素は、高圧塔１５ａと低圧塔１５ｂとの圧力差により、頂部還流管２５及び頂部還流管２５に設けられた図示しない膨張弁を介して低圧塔１５ｂの上部に還流すると共に、冷却により液化して高圧塔１５ａ内の気体と熱交換が行われる。

【0045】

また、高圧塔１５ａの中間部近傍の気体は、中部還流管２６を介して低圧塔１５ｂの中間部近傍に還流する。そして、この状態が継続すると、高圧塔１５ａ及び低圧塔１５ｂの内部が平衡状態となり、例えば高圧塔１５ａ底部の液体空気が概ね−１７５℃、低圧塔１５ｂ底部の液体酸素が概ね−１８０℃で維持される。そして、製品酸素及び製品窒素が随時製品酸素抽出管３２及び製品窒素抽出管３１から需要先へ供給されると共に、廃窒素抽出管３３に設けられた図示しない調節弁から排出する廃窒素の流量を制御することで、低圧塔１５ｂ内の圧力が、概ね０．０４ＭＰａ程度に維持される。この状態（正常時）においては、例えば図２に示すように、低圧塔１５ｂ内の上部から底部に向かって、製品窒素、廃窒素（酸素含有窒素）、空気（酸素及び窒素）、製品酸素がこの順に滞留している。また、この状態においては、低圧塔窒素温度検出機構５０で検出される温度は、概ね−１８４℃程度となっている。

【0046】

その後、何らかの理由により空気圧縮機１１から供給される原料空気中の酸素濃度が低下、即ち原料空気中の窒素濃度が増加すると、低圧塔１５ｂ内の窒素量も増加する。そうすると、低圧塔１５ｂ内の窒素濃度の上昇及び酸素濃度の低下に伴い、低圧塔１５ｂ内に滞留していた気体の分布が変化する。具体的には、例えば図３に示すように、廃窒素の領域が下方に広がり、製品酸素の領域が減少する。そうすると、通常の運転状態においては−１８４℃程度となっていた低圧塔窒素温度検出機構５０近傍の温度は、窒素濃度の増加と共に温度が低下し、例えば約−１８６℃〜１８８℃程度に低下する。

【0047】

これにより、制御装置１００では、低圧塔１５ｂ内の窒素濃度が上昇（窒素ガス量が増加）したことを検知すると共に、製品酸素の生成量が不足することを検知する。そこで制御装置１００は、バイパス弁４１を所定の開度に開き、原料空気管２０を流れる原料空気の一部を主凝縮器１５ｃにバイパスさせる。これにより、主凝縮器１５ｃ内の気液熱交換器２７に原料空気が供給され、原料空気と液体酸素との熱交換が行われる。その結果、主凝縮器１５ｃからの酸素の蒸発量が増加し、酸素還流管２８から低圧塔１５ｂ内に還流する酸素量が増加する。これにより、低圧塔１５ｂ内では酸素ガスの上昇流が増加し、低圧塔１５ｂ内の酸素濃度が上昇する。その結果、低圧塔１５ｂ内の気体の分布が、異常な状態であった図３に示す状態から、図２に示す正常な状態へと戻っていく。この低圧塔１５ｂ内の気体の分布の変化は、例えば−１８６℃〜１８８℃程度となっていた低圧塔窒素温度検出機構５０の検出温度が、再び−１８４℃程度となることで確認される。この際、廃窒素抽出管３３からの廃窒素量を増加させることで低圧塔１５ｂに還流する酸素量の増加分を相殺し、低圧塔１５ｂ内の圧力が概ね０．０４ＭＰａ程度に維持される。

【0048】

また、主凝縮器１５ｃの気液熱交換器２７で液体酸素により冷却された原料空気は、膨張弁４３により断熱膨張されて低圧塔１５ｂに供給される。そして、断熱膨張により低温低圧となった原料空気により低圧塔１５ｂに寒冷が補充され、主凝縮器１５ｃからの酸素の蒸発量の増加分の熱が相殺される。これにより、バイパス弁４１から原料空気を供給した場合であっても、精留塔１５内の寒冷バランスが維持される。なお、バイパス弁４１の開操作に伴い、精留塔１５への原料空気の供給量が減少する場合、必要に応じて空気圧縮機１１からの原料空気の供給量を増加させるが、かかる場合の空気圧縮機１１からの供給量の増加分は、最大でもバイパス弁４１から供給される原料空気の流量分に抑えられる。

【0049】

その後、バイパス弁４１の開度は例えば低圧塔窒素温度検出機構５０の検出温度を−１８４℃に維持するように制御される。そして、空気圧縮機１１から供給される原料空気内の酸素濃度が回復すると、低圧塔窒素温度検出機構５０の検出温度が−１８４℃よりも少し高くなるため、制御装置１００によりバイパス弁４１の開度が徐々に閉じられて全閉状態となる。これにより、深冷空気分離システム１は通常の運転状態に復帰し、そのまま運転が継続される。

【0050】

以上の実施の形態によれば、原料空気中の窒素濃度が一時的に上昇しても、空気圧縮機１１から供給される原料空気の一部を主凝縮器１５ｃで熱交換して冷却する第１のバイパス管４０と、主凝縮器１５ｃで冷却後の原料空気を、高圧塔１５ａをバイパスして低圧塔１５ｂに供給する第２のバイパス管４２を備えているので、原料空気により主凝縮器１５ｃ内の酸素を蒸発させ低圧塔１５ｂの酸素の体積を短時間で回復させることができる。かかる場合、製品酸素の体積を増加させるにあたり、空気圧縮機１１から供給する原料空気の増加分は、主凝縮器１５ｃ内で所望量の酸素を追加で蒸発させる分で足りる。したがって、原料空気の全量を高圧塔１５ａから低圧塔１５ｂに供給して製品酸素の体積を回復させる場合と比較して、空気圧縮機１１からの原料空気の供給量を大幅に低減できる。その結果、深冷空気分離システムにおいて、製品酸素の生成量を効率的に安定化させることができる。

【0051】

また、第２のバイパス管４２には膨張弁４３が設けられているので、低圧塔１５ｂ内の寒冷バランスを維持し、高圧塔１５ａをバイパスして低圧塔１５ｂに原料空気の一部を直接を供給した場合であっても、精留塔１５の安定運転を維持できる。

【0052】

さらには、第１のバイパス管４０内を流れる原料空気を主凝縮器１５ｃ内で冷却することにより、原料空気の一部が気液熱交換器２７の内部で凝縮し、第１のバイパス管４０内の圧力が減少することにより、原料空気管２０から第１のバイパス管４０への気体の流れが形成される。換言すれば、空気圧縮機１１出口の見かけ上の圧力損失が低下する。その結果、バイパス弁４１を流れる原料空気の供給量を増加させた場合であっても、空気圧縮機１１の動力の増加分は極めて軽微なものとなる。

【0053】

加えて、バイパス弁４１から原料空気を供給して主凝縮器１５ｃの酸素を蒸発させるので、極めて短時間のうちに低圧塔１５ｂの酸素ガスの体積を回復することができる。したがって、通常運転時はバイパス弁４１を閉じておき、原料空気中の酸素濃度が低下する非常時にのみバイパス弁４１を開くようにしても、製品酸素の不足を招くことがないので、従来のように、一時的な製品酸素不足に対応するために空気圧縮機１１からの原料空気の供給量を常時増加させておく必要がない。したがって、深冷空気分離システム１を極めて効率的に運用することができる。

【0054】

なお、以上の実施の形態では、バイパス弁４１の開操作に伴い空気圧縮機１１からの原料空気の供給量を増加させたが、空気圧縮機１１からの供給量は必ずしも増加させる必要はない。原料空気内の窒素濃度の上昇（酸素濃度の低下）に伴い、空気圧縮機１１からの供給量をどの程度増加させるかについては、製品窒素の供給量などに応じて定まる精留塔１５内のバランスに応じて定まるものであり、空気圧縮機１１からの供給量を増加させない場合もありうる。特に、酸素の増加量が少ないか、期間が短期の場合、主凝縮器１５ｃに貯留された液体酸素を蒸発させることで不足分をまかなうことができるので、そのような場合には、空気圧縮機１１は負荷一定のまま運転継続できる。

【0055】

以上の実施の形態では、第２のバイパス管４２を、低圧塔１５ｂにおける廃窒素抽出管３３よりも低く製品酸素抽出管３２よりも高い位置に設けたが、第２のバイパス管４２の低圧塔１５ｂへの接続位置については、低圧塔１５ｂ内の気体の組成が空気と同程度となっている箇所が好ましい。具体的には、分岐管２０ａが接続されている高さと同程度の高さに接続することが好ましい。そうすることで、低圧塔１５ｂ内に原料空気が供給された後に速やかに酸素と窒素に分離し、低圧塔１５ｂ内に与える外乱を最小限に抑えることができる。

【実施例】

【0056】

実施例として、通常運転時の酸素製造量を約６００００Ｎｍ３／ｈｒとした場合に、本実施の形態にかかる深冷空気分離システム１を用いて製品酸素の生成量を一時的に０．６％程度増加させた場合の空気圧縮機１１の動力の増加分を確認した。なお、通常運転時の空気圧縮機１１の動力は、例えば約２００００ｋＷ／ｈｒであるものとする。

【0057】

本実施の形態にかかる深冷空気分離システム１では、約６００００Ｎｍ３／ｈｒの０．６％に相当する約３６０Ｎｍ３／ｈｒの酸素を増加させる場合、バイパス弁４１から約４５０Ｎｍ３／ｈｒ程度の原料空気を供給することで、主凝縮器１５ｃからの酸素の蒸発量を約３６０Ｎｍ３／ｈｒ程度増加させることができる。かかる場合、４５０Ｎｍ３／ｈｒの原料空気を増加させるための空気圧縮機１１の動力の増加分は概ね３０ｋＷ／ｈｒであり、０．１５％程度の増加に抑えられる。また、空気圧縮機１１の負荷を一定に維持し、バイパス弁４１の操作のみで主凝縮器１５ｃからの酸素の蒸発量をまかなう場合には、当然に空気圧縮機１１の動力は増加しない。

【0058】

一方、第１のバイパス管４０や第２のバイパス管４２を有していない従来の深冷空気分離システムを用いた場合、例えば酸素濃度を０．６％増加させるためには、原料空気を３％増加させる必要がある。その場合、空気圧縮機１１の動力も概ね３％程度増加させる必要がある。したがって、本発明の深冷空気分離システム１によれば、製品酸素の生成量を増加させた場合であっても、空気圧縮機１１の動力の増加を極めて少なく抑えられることが確認できた。

【0059】

また、本実施の形態のように、バイパス管４０、バイパス弁４１を介して原料空気を供給して主凝縮器１５ｃからの液体酸素の蒸発量を増加させた場合、概ね５〜６分程度で低圧塔１５ｂ内の酸素の体積を増加させられることが確認できた。その一方、第１のバイパス管４０や第２のバイパス管４２を有していない従来の深冷空気分離システムにおいては、空気圧縮機１１からの原料空気の供給量を増加させた後に低圧塔１５ｂ内の酸素の体積が増加させるまでに、概ね３０〜４０分程度の時間を要することが確認されている。したがって、本発明の深冷空気分離システム１によれば、オフガス等の影響により原料空気中の酸素濃度が低下した場合であっても、低圧塔１５ｂ内の酸素の体積を短時間で回復させ、製品酸素の生成量を安定化させられることも併せて確認できた。

【産業上の利用可能性】

【0060】

本発明は、深冷空気分離システムにおける操業の安定に有用である。

【符号の説明】

【0061】

１ 深冷空気分離システム
１０ 吸入フィルタ
１１ 原料空気圧縮機
１２ 水洗冷却塔
１３ ＭＳ吸着器
１４ 主熱交換器
１５ 精留塔
１５ａ 高圧部
１５ｂ 低圧部
１５ｃ 主凝縮器
２０ 原料空気管
２０ａ 分岐管
２１ 膨張タービン
２２ 液体酸素管
２３ 頂部窒素管
２４ 熱交換器
２５ 頂部還流管
２６ 中部還流管
２７ 気液熱交換器
２８ 酸素還流管
３０ 液体空気管
３１ 製品窒素抽出管
３２ 製品酸素抽出管
３３ 廃窒素抽出管
４０ 第１のバイパス管
４１ バイパス弁
４２ 第２のバイパス管
４３ 膨張弁
５０ 低圧塔窒素温度検出機構

【図1】

【図2】

【図3】