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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024104492
(43)【公開日】2024-08-05
(54)【発明の名称】空気分離方法及び空気分離装置
(51)【国際特許分類】
F25J 3/04 20060101AFI20240729BHJP
F25J 3/06 20060101ALI20240729BHJP
【ＦＩ】
F25J3/04 104
F25J3/06
F25J3/04 101
【審査請求】有
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023008722
(22)【出願日】2023-01-24
(71)【出願人】
【識別番号】320011650
【氏名又は名称】大陽日酸株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001634
【氏名又は名称】弁理士法人志賀国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】橘 博志
【テーマコード（参考）】
4D047
【Ｆターム（参考）】
4D047AA08
4D047AB01
4D047AB02
4D047AB04
4D047CA03
4D047CA19
4D047DA01
4D047DA05
4D047EA00
(57)【要約】
【課題】酸素回収率の維持又は低下を抑制しつつ、アルゴン回収率を改善することが可能な空気分離方法及び空気分離装置を提供する。
【解決手段】高圧原料空気を分離する高圧分離工程と、中圧タービン空気を生成するタービン空気生成工程と、高圧タービン空気を生成するタービン空気圧縮工程と、低圧タービン空気を生成するタービン空気断熱膨張工程と、低圧タービン空気を分離する低圧分離工程と、アルゴン富化液化酸素を分離するアルゴン分離工程と、液化アルゴン及び低圧酸素ガスを生成するアルゴン凝縮工程と、高圧液化窒素及び中圧酸素ガスを生成する高圧窒素凝縮工程と、アルゴンを抜き出す製品アルゴン導出工程とを有し、タービン空気圧縮工程は、タービン空気断熱膨張工程によって発生したエネルギーを用いて中圧タービン空気を圧縮し、さらに、高圧原料空気の一部を分岐させて、減圧後に高圧タービン空気と合流させる原料空気バイパス工程を含む。
【選択図】図１
【解決手段】高圧原料空気を分離する高圧分離工程と、中圧タービン空気を生成するタービン空気生成工程と、高圧タービン空気を生成するタービン空気圧縮工程と、低圧タービン空気を生成するタービン空気断熱膨張工程と、低圧タービン空気を分離する低圧分離工程と、アルゴン富化液化酸素を分離するアルゴン分離工程と、液化アルゴン及び低圧酸素ガスを生成するアルゴン凝縮工程と、高圧液化窒素及び中圧酸素ガスを生成する高圧窒素凝縮工程と、アルゴンを抜き出す製品アルゴン導出工程とを有し、タービン空気圧縮工程は、タービン空気断熱膨張工程によって発生したエネルギーを用いて中圧タービン空気を圧縮し、さらに、高圧原料空気の一部を分岐させて、減圧後に高圧タービン空気と合流させる原料空気バイパス工程を含む。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
酸素、窒素、及びアルゴンを含む空気を、圧縮、予冷、及び精製することで得られる高圧原料空気を冷却した後に低温蒸留して、高圧窒素ガスと高圧酸素富化液化空気とに分離する高圧分離工程と、
前記高圧酸素富化液化空気を減圧して得られた中圧酸素富化液化空気を気化させて中圧タービン空気を生成するタービン空気生成工程と、
前記中圧タービン空気を加温した後に圧縮して高圧タービン空気を生成するタービン空気圧縮工程と、
前記高圧タービン空気を断熱膨張させて低圧タービン空気を生成し、空気分離運転に必要な寒冷を発生させるタービン空気断熱膨張工程と、
前記低圧タービン空気を低温蒸留して、低圧窒素ガスと低圧液化酸素とアルゴン富化液化酸素とに分離する低圧分離工程と、
前記アルゴン富化液化酸素を加圧した後に前記低圧分離工程よりも高い圧力で低温蒸留して、アルゴンガスと中圧液化酸素とに分離するアルゴン分離工程と、
前記アルゴンガスと前記低圧液化酸素との間接熱交換により、前記アルゴンガスを液化させて液化アルゴンを生成するとともに、前記低圧液化酸素を気化させて低圧酸素ガスを生成するアルゴン凝縮工程と、
前記高圧窒素ガスと前記中圧液化酸素とを間接熱交換させることで、前記高圧窒素ガスを液化させて高圧液化窒素を生成するとともに、前記中圧液化酸素を気化させて中圧酸素ガスを生成する高圧窒素凝縮工程と、
前記アルゴンガスの一部、前記アルゴン凝縮工程において液化されなかったアルゴンガス及び前記液化アルゴンの一部のうち、少なくとも１種のアルゴンを製品として抜き出す製品アルゴン導出工程と、を有し、
前記タービン空気圧縮工程は、前記タービン空気断熱膨張工程によって発生したエネルギーを用いて前記中圧タービン空気を圧縮し、
さらに、前記高圧原料空気の一部を分岐させて、減圧後に前記高圧タービン空気と合流させる原料空気バイパス工程を含むことを特徴とする空気分離方法。
前記高圧酸素富化液化空気を減圧して得られた中圧酸素富化液化空気を気化させて中圧タービン空気を生成するタービン空気生成工程と、
前記中圧タービン空気を加温した後に圧縮して高圧タービン空気を生成するタービン空気圧縮工程と、
前記高圧タービン空気を断熱膨張させて低圧タービン空気を生成し、空気分離運転に必要な寒冷を発生させるタービン空気断熱膨張工程と、
前記低圧タービン空気を低温蒸留して、低圧窒素ガスと低圧液化酸素とアルゴン富化液化酸素とに分離する低圧分離工程と、
前記アルゴン富化液化酸素を加圧した後に前記低圧分離工程よりも高い圧力で低温蒸留して、アルゴンガスと中圧液化酸素とに分離するアルゴン分離工程と、
前記アルゴンガスと前記低圧液化酸素との間接熱交換により、前記アルゴンガスを液化させて液化アルゴンを生成するとともに、前記低圧液化酸素を気化させて低圧酸素ガスを生成するアルゴン凝縮工程と、
前記高圧窒素ガスと前記中圧液化酸素とを間接熱交換させることで、前記高圧窒素ガスを液化させて高圧液化窒素を生成するとともに、前記中圧液化酸素を気化させて中圧酸素ガスを生成する高圧窒素凝縮工程と、
前記アルゴンガスの一部、前記アルゴン凝縮工程において液化されなかったアルゴンガス及び前記液化アルゴンの一部のうち、少なくとも１種のアルゴンを製品として抜き出す製品アルゴン導出工程と、を有し、
前記タービン空気圧縮工程は、前記タービン空気断熱膨張工程によって発生したエネルギーを用いて前記中圧タービン空気を圧縮し、
さらに、前記高圧原料空気の一部を分岐させて、減圧後に前記高圧タービン空気と合流させる原料空気バイパス工程を含むことを特徴とする空気分離方法。
【請求項2】
前記タービン空気生成工程は、前記高圧窒素ガスと前記中圧酸素富化液化空気との間接熱交換により、前記高圧窒素ガスを液化させて高圧液化窒素を生成するとともに、前記中圧酸素富化液化空気を気化させて前記中圧タービン空気を生成することを特徴とする請求項１に記載の空気分離方法。
【請求項3】
前記タービン空気生成工程は、前記高圧分離工程の中間段階で生成された高圧窒素富化空気と前記中圧酸素富化液化空気との間接熱交換により、前記高圧窒素富化空気を液化させて高圧窒素富化液化空気を生成するとともに、前記中圧酸素富化液化空気を気化させて前記中圧タービン空気を生成することを特徴とする請求項１に記載の空気分離方法。
【請求項4】
前記タービン空気生成工程は、前記高圧原料空気と前記中圧酸素富化液化空気との間接熱交換により、前記高圧原料空気を液化させて高圧液化空気を生成するとともに、前記中圧酸素富化液化空気を気化させて前記中圧タービン空気を生成することを特徴とする請求項１に記載の空気分離方法。
【請求項5】
前記原料空気バイパス工程は、前記高圧原料空気から分岐する該高圧原料空気の流量を、減圧後の圧力を制御することで間接的に調節することを特徴とする請求項１～請求項４の何れか一項に記載の空気分離方法。
【請求項6】
酸素、窒素、及びアルゴンを含む空気を、圧縮、予冷、及び精製することで得られる高圧原料空気を冷却した後に低温蒸留して、高圧窒素ガスと高圧酸素富化液化空気とに分離する高圧塔と、
前記高圧酸素富化液化空気を減圧して得られた中圧酸素富化液化空気を気化させて中圧タービン空気を生成するタービン空気蒸化器と、
前記中圧タービン空気を加温した後に圧縮して高圧タービン空気を生成するタービンブロワと、
前記高圧タービン空気を断熱膨張させて低圧タービン空気を生成し、空気分離運転に必要な寒冷を発生させる膨張タービンと、
前記低圧タービン空気を低温蒸留して、低圧窒素ガスと低圧液化酸素とアルゴン富化液化酸素とに分離する低圧塔と、
前記アルゴン富化液化酸素を加圧した後に前記低圧塔よりも高い圧力で低温蒸留して、アルゴンガスと中圧液化酸素とに分離するアルゴン塔と、
前記アルゴンガスと前記低圧液化酸素との間接熱交換により、前記アルゴンガスを液化させて液化アルゴンを生成するとともに、前記低圧液化酸素を気化させて低圧酸素ガスを生成するアルゴン凝縮器と、
前記高圧窒素ガスと前記中圧液化酸素とを間接熱交換させて、前記高圧窒素ガスを液化させて高圧液化窒素を生成するとともに、前記中圧液化酸素を気化させて中圧酸素ガスを生成する高圧窒素凝縮器と、
前記アルゴンガスの一部、前記アルゴン凝縮器において液化されなかった前記アルゴンガス及び前記液化アルゴンの一部のうち、少なくとも１種のアルゴンを製品として抜き出す製品アルゴン導出ラインと、を有し、
前記タービンブロワは、前記膨張タービンで発生した回転エネルギーを用いて前記タービンブロワを回転駆動し、
さらに、前記高圧原料空気の一部を分岐させて、減圧後に前記高圧タービン空気と合流させる原料空気バイパスラインを含むことを特徴とする空気分離装置。
前記高圧酸素富化液化空気を減圧して得られた中圧酸素富化液化空気を気化させて中圧タービン空気を生成するタービン空気蒸化器と、
前記中圧タービン空気を加温した後に圧縮して高圧タービン空気を生成するタービンブロワと、
前記高圧タービン空気を断熱膨張させて低圧タービン空気を生成し、空気分離運転に必要な寒冷を発生させる膨張タービンと、
前記低圧タービン空気を低温蒸留して、低圧窒素ガスと低圧液化酸素とアルゴン富化液化酸素とに分離する低圧塔と、
前記アルゴン富化液化酸素を加圧した後に前記低圧塔よりも高い圧力で低温蒸留して、アルゴンガスと中圧液化酸素とに分離するアルゴン塔と、
前記アルゴンガスと前記低圧液化酸素との間接熱交換により、前記アルゴンガスを液化させて液化アルゴンを生成するとともに、前記低圧液化酸素を気化させて低圧酸素ガスを生成するアルゴン凝縮器と、
前記高圧窒素ガスと前記中圧液化酸素とを間接熱交換させて、前記高圧窒素ガスを液化させて高圧液化窒素を生成するとともに、前記中圧液化酸素を気化させて中圧酸素ガスを生成する高圧窒素凝縮器と、
前記アルゴンガスの一部、前記アルゴン凝縮器において液化されなかった前記アルゴンガス及び前記液化アルゴンの一部のうち、少なくとも１種のアルゴンを製品として抜き出す製品アルゴン導出ラインと、を有し、
前記タービンブロワは、前記膨張タービンで発生した回転エネルギーを用いて前記タービンブロワを回転駆動し、
さらに、前記高圧原料空気の一部を分岐させて、減圧後に前記高圧タービン空気と合流させる原料空気バイパスラインを含むことを特徴とする空気分離装置。
【請求項7】
前記タービン空気蒸化器は、前記高圧窒素ガスと前記中圧酸素富化液化空気との間接熱交換により、前記高圧窒素ガスを液化させて高圧液化窒素を生成するとともに、前記中圧酸素富化液化空気を気化させて前記中圧タービン空気を生成することを特徴とする請求項６に記載の空気分離装置。
【請求項8】
前記タービン空気蒸化器は、前記高圧塔における処理の中間段階で生成された高圧窒素富化空気と前記中圧酸素富化液化空気との間接熱交換により、前記高圧窒素富化空気を液化させて高圧窒素富化液化空気を生成するとともに、前記中圧酸素富化液化空気を気化させて前記中圧タービン空気を生成することを特徴とする請求項６に記載の空気分離装置。
【請求項9】
前記タービン空気蒸化器は、前記高圧原料空気と前記中圧酸素富化液化空気との間接熱交換により、前記高圧原料空気を液化させて高圧液化空気を生成するとともに、前記中圧酸素富化液化空気を気化させて前記中圧タービン空気を生成することを特徴とする請求項６に記載の空気分離装置。
【請求項10】
前記原料空気バイパスライン上に、さらに、前記高圧原料空気から分岐する該高圧原料空気の流量を、減圧後の圧力を制御することで間接的に調節可能な原料空気バイパス弁を有することを特徴とする請求項６～請求項９の何れか一項に記載の空気分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、空気分離方法及び空気分離装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来から、工業的に酸素や窒素を製造する方法として、一般的に、空気を原料とした低温蒸留により製造する方法（空気分離方法）、及び、それに用いられる装置（空気分離装置）が知られている。
【0003】
例えば、下記特許文献１には、高圧塔と、低圧塔と、アルゴン塔と、低圧塔底部の低圧液化酸素とアルゴン塔頂部のアルゴンガスとを間接熱交換させる間接熱交換器と、アルゴン塔底部の中圧液化酸素と高圧塔頂部の高圧窒素ガスとを間接熱交換させる間接熱交換器と、を含む空気分離装置を用いた空気分離方法が提案されている。特許文献１によれば、アルゴン回収率を維持または改善しつつ、より多くの製品高圧窒素ガスを回収可能であり、製品ガスの圧送動力を含む装置全体の消費動力を削減することが可能とされている。
【0004】
また、特許文献１の図１には、高圧塔の底部から導出された高圧酸素富化液化空気を減圧後に間接熱交換器で気化させて中圧酸素富化空気を生成し、これをタービンブロワで圧縮した後に膨張タービンで断熱膨張させ、低圧塔に供給する装置が開示されている。特許文献１によれば、上記のように、酸素富化空気を膨張タービンに用いることで、原料空気の一部を膨張タービンに用いる場合に比べて、低圧塔に供給される空気の酸素濃度が高くなり、さらにアルゴン回収率が改善されるとされている。
【0005】
ところで、一般的に、特許文献１に開示されたような深冷空気分離装置では、上記のように寒冷を発生させるための膨張タービンが必要であり、液製品量が多くなると必要な寒冷も多くなるため、膨張タービンの処理流量が増加する。一方、膨張タービンで断熱膨張した空気を低圧塔に供給する構成とされた、一般的な空気分離装置の場合、低圧タービン空気の流量が増え過ぎると、低圧塔下部での上昇ガスの減少によってアルゴン回収率が低下する傾向がある。
【0006】
上記のようなアルゴン回収率の低下を抑制する手段として、特許文献２には、低圧タービン空気の一部又は全量を、上塔で発生した帰還低温ガスに合流させて回収することにより、上塔に供給する低圧タービン空気の流量を最適化することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特許第６１５５５１５号公報
【特許文献2】特公昭６０－４４５８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
特許文献１に開示された空気分離装置は、アルゴン回収率を維持又は改善しつつ、より多くの製品高圧窒素ガスを回収可能とされ、また、装置全体の消費動力を削減可能であるとされている。一方、特許文献１に開示された空気分離装置は、膨張タービンの処理流体に原料空気を用いる場合に比べて、膨張タービンの入口圧力が低くなり、膨張比が小さくなるため、同じ量の寒冷を発生させる場合であっても処理量が多くなる。このため、特許文献１の空気分離装置では、特に液製品量が多く、空気分離装置の運転に必要な寒冷量が多い場合には、膨張タービン量が過剰となり、アルゴン回収率が大きく低下するという問題がある。
【0009】
ここで、原料空気の一部を膨張タービンに用いる空気分離装置であれば、例えば、特許文献２に開示された方法によって低圧タービン空気量を最適化し、アルゴン回収率が低下するのを抑制することも可能である。しかしながら、膨張タービンに酸素富化空気を用いる場合には、原料空気に比べて酸素成分やアルゴン成分が豊富な酸素富化空気の一部を低圧塔に供給することなく、帰還ガスとして回収（大気放出）するため、むしろ、酸素回収率やアルゴン回収率を低下させる要因になるという問題があった。
【0010】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、酸素回収率を維持又は酸素回収率の低下を抑制しつつ、アルゴン回収率を改善することが可能な空気分離方法及び空気分離装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明者等は、上記問題を解決するため、高圧塔の底部から導出された高圧酸素富化液化空気を減圧後に間接熱交換して気化させることで、酸素富化空気である中圧タービン空気を生成し、これをタービンブロワで圧縮した後に膨張タービンで断熱膨張させて低圧塔に供給する装置について、鋭意検討を重ねた。この結果、原料空気の一部を分岐して膨張タービン入口の酸素富化空気である高圧タービン空気と合流させることにより、発生寒冷量を維持しつつ膨張タービンの処理量を削減できること、あるいは、膨張タービンの処理量を維持しつつ発生寒冷量を増やすことが可能となることを知見した。これにより、酸素回収率を維持又は酸素回収率の低下を抑制しつつ、アルゴン回収率を改善することが可能になることを見出し、本発明を完成させた。
【0012】
即ち、上記課題を解決するため、請求項１に係る発明によれば、酸素、窒素、及びアルゴンを含む空気を、圧縮、予冷、及び精製することで得られる高圧原料空気を冷却した後に低温蒸留して、高圧窒素ガスと高圧酸素富化液化空気とに分離する高圧分離工程と、前記高圧酸素富化液化空気を減圧して得られた中圧酸素富化液化空気を気化させて中圧タービン空気を生成するタービン空気生成工程と、前記中圧タービン空気を加温した後に圧縮して高圧タービン空気を生成するタービン空気圧縮工程と、前記高圧タービン空気を断熱膨張させて低圧タービン空気を生成し、空気分離運転に必要な寒冷を発生させるタービン空気断熱膨張工程と、前記低圧タービン空気を低温蒸留して、低圧窒素ガスと低圧液化酸素とアルゴン富化液化酸素とに分離する低圧分離工程と、前記アルゴン富化液化酸素を加圧した後に前記低圧分離工程よりも高い圧力で低温蒸留して、アルゴンガスと中圧液化酸素とに分離するアルゴン分離工程と、前記アルゴンガスと前記低圧液化酸素との間接熱交換により、前記アルゴンガスを液化させて液化アルゴンを生成するとともに、前記低圧液化酸素を気化させて低圧酸素ガスを生成するアルゴン凝縮工程と、前記高圧窒素ガスと前記中圧液化酸素とを間接熱交換させることで、前記高圧窒素ガスを液化させて高圧液化窒素を生成するとともに、前記中圧液化酸素を気化させて中圧酸素ガスを生成する高圧窒素凝縮工程と、前記アルゴンガスの一部、前記アルゴン凝縮工程において液化されなかったアルゴンガス及び前記液化アルゴンの一部のうち、少なくとも１種のアルゴンを製品として抜き出す製品アルゴン導出工程と、を有し、前記タービン空気圧縮工程は、前記タービン空気断熱膨張工程によって発生したエネルギーを用いて前記中圧タービン空気を圧縮し、さらに、前記高圧原料空気の一部を分岐させて、減圧後に前記高圧タービン空気と合流させる原料空気バイパス工程を含むことを特徴とする空気分離方法が提供される。
【0013】
また、請求項２に係る発明によれば、前記タービン空気生成工程は、前記高圧窒素ガスと前記中圧酸素富化液化空気との間接熱交換により、前記高圧窒素ガスを液化させて高圧液化窒素を生成するとともに、前記中圧酸素富化液化空気を気化させて前記中圧タービン空気を生成することを特徴とする請求項１に記載の空気分離方法が提供される。
【0014】
また、請求項３に係る発明によれば、前記タービン空気生成工程は、前記高圧分離工程の中間段階で生成された高圧窒素富化空気と前記中圧酸素富化液化空気との間接熱交換により、前記高圧窒素富化空気を液化させて高圧窒素富化液化空気を生成するとともに、前記中圧酸素富化液化空気を気化させて前記中圧タービン空気を生成することを特徴とする請求項１に記載の空気分離方法が提供される。
【0015】
また、請求項４に係る発明によれば、前記タービン空気生成工程は、前記高圧原料空気と前記中圧酸素富化液化空気との間接熱交換により、前記高圧原料空気を液化させて高圧液化空気を生成するとともに、前記中圧酸素富化液化空気を気化させて前記中圧タービン空気を生成することを特徴とする請求項１に記載の空気分離方法が提供される。
【0016】
また、請求項５に係る発明によれば、前記原料空気バイパス工程は、前記高圧原料空気から分岐する該高圧原料空気の流量を、減圧後の圧力を制御することで間接的に調節することを特徴とする請求項１～請求項４の何れか一項に記載の空気分離方法が提供される。
【0017】
また、上記課題を解決するため、請求項６に係る発明によれば、酸素、窒素、及びアルゴンを含む空気を、圧縮、予冷、及び精製することで得られる高圧原料空気を冷却した後に低温蒸留して、高圧窒素ガスと高圧酸素富化液化空気とに分離する高圧塔と、前記高圧酸素富化液化空気を減圧して得られた中圧酸素富化液化空気を気化させて中圧タービン空気を生成するタービン空気蒸化器と、前記中圧タービン空気を加温した後に圧縮して高圧タービン空気を生成するタービンブロワと、前記高圧タービン空気を断熱膨張させて低圧タービン空気を生成し、空気分離運転に必要な寒冷を発生させる膨張タービンと、前記低圧タービン空気を低温蒸留して、低圧窒素ガスと低圧液化酸素とアルゴン富化液化酸素とに分離する低圧塔と、前記アルゴン富化液化酸素を加圧した後に前記低圧塔よりも高い圧力で低温蒸留して、アルゴンガスと中圧液化酸素とに分離するアルゴン塔と、前記アルゴンガスと前記低圧液化酸素との間接熱交換により、前記アルゴンガスを液化させて液化アルゴンを生成するとともに、前記低圧液化酸素を気化させて低圧酸素ガスを生成するアルゴン凝縮器と、前記高圧窒素ガスと前記中圧液化酸素とを間接熱交換させて、前記高圧窒素ガスを液化させて高圧液化窒素を生成するとともに、前記中圧液化酸素を気化させて中圧酸素ガスを生成する高圧窒素凝縮器と、前記アルゴンガスの一部、前記アルゴン凝縮器において液化されなかった前記アルゴンガス及び前記液化アルゴンの一部のうち、少なくとも１種のアルゴンを製品として抜き出す製品アルゴン導出ラインと、を有し、前記タービンブロワは、前記膨張タービンで発生した回転エネルギーを用いて前記タービンブロワを回転駆動し、前記高圧原料空気の一部を分岐させて、減圧後に前記高圧タービン空気と合流させる原料空気バイパスラインを含むことを特徴とする空気分離装置が提供される。
【0018】
また、請求項７に係る発明によれば、前記タービン空気蒸化器は、前記高圧窒素ガスと前記中圧酸素富化液化空気との間接熱交換により、前記高圧窒素ガスを液化させて高圧液化窒素を生成するとともに、前記中圧酸素富化液化空気を気化させて前記中圧タービン空気を生成することを特徴とする請求項６に記載の空気分離装置が提供される。
【0019】
また、請求項８に係る発明によれば、前記タービン空気蒸化器は、前記高圧塔における処理の中間段階で生成された高圧窒素富化空気と前記中圧酸素富化液化空気との間接熱交換により、前記高圧窒素富化空気を液化させて高圧窒素富化液化空気を生成するとともに、前記中圧酸素富化液化空気を気化させて前記中圧タービン空気を生成することを特徴とする請求項６に記載の空気分離装置が提供される。
【0020】
また、請求項９に係る発明によれば、前記タービン空気蒸化器は、前記高圧原料空気と前記中圧酸素富化液化空気との間接熱交換により、前記高圧原料空気を液化させて高圧液化空気を生成するとともに、前記中圧酸素富化液化空気を気化させて前記中圧タービン空気を生成することを特徴とする請求項６に記載の空気分離装置が提供される。
【0021】
また、請求項１０に係る発明によれば、前記原料空気バイパスライン上に、さらに、前記高圧原料空気から分岐する該高圧原料空気の流量を、減圧後の圧力を制御することで間接的に調節可能な原料空気バイパス弁を有することを特徴とする請求項６～請求項９の何れか一項に記載の空気分離装置が提供される。
【発明の効果】
【0022】
本発明に係る空気分離方法によれば、上記のように、中圧タービン空気を生成するタービン空気生成工程と、高圧タービン空気を生成するタービン空気圧縮工程と、を備え、さらに、高圧原料空気の一部を減圧して高圧タービン空気と合流させる原料空気バイパス工程を含む方法を採用している。このように、高圧原料空気の一部を分岐して酸素富化空気である高圧タービン空気と合流させることにより、発生寒冷量を維持しつつ膨張タービンの処理量を削減するか、あるいは、膨張タービンの処理量を維持しつつ発生寒冷量を増やすことが可能となる。
従って、酸素回収率を維持又は酸素回収率の低下を抑制しつつ、アルゴン回収率を改善することが可能となる。
従って、酸素回収率を維持又は酸素回収率の低下を抑制しつつ、アルゴン回収率を改善することが可能となる。
【0023】
また、本発明に係る空気分離装置によれば、上記のように、高圧塔の底部から導出された高圧酸素富化液化空気を減圧後に間接熱交換して気化させることで、酸素富化空気である中圧タービン空気を生成し、これをタービンブロワで圧縮した後に膨張タービンで断熱膨張させて低圧塔に供給する装置構成において、さらに、高圧原料空気の一部を減圧してから高圧タービン空気と合流させる原料空気バイパスラインを含む構成を採用している。このような原料空気バイパスラインを備えることで、上記同様、発生寒冷量を維持しつつ膨張タービンの処理量を削減できること、あるいは、膨張タービンの処理量を維持しつつ発生寒冷量を増やすことが可能となる。
従って、上記同様、酸素回収率を維持又は酸素回収率の低下を抑制しつつ、アルゴン回収率を改善することが可能となる。
従って、上記同様、酸素回収率を維持又は酸素回収率の低下を抑制しつつ、アルゴン回収率を改善することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】本発明の一実施形態である空気分離方法及び空気分離装置について模式的に説明する図であり、空気分離装置全体の概略構成を示す系統図である。
【発明を実施するための形態】
【0025】
以下、本発明を適用した一実施形態である空気分離方法及び空気分離装置について、図１を参照しながら説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするため、便宜上、特徴となる部分を拡大あるいは簡略化して示している場合がある。また、以下の説明において例示される材料等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするため、便宜上、特徴となる部分を拡大あるいは簡略化して示している場合がある。また、以下の説明において例示される材料等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【0026】
＜空気分離装置＞
以下、本実施形態の空気分離方法による操業に用いることが可能な空気分離装置について詳述する。
図１は、本実施形態の空気分離装置１０の全体概略構成を示す系統図である。
なお、本実施形態の説明において、「低圧」とは、詳細を後述する低圧塔１８の操作圧力以下で、且つ４００ｋＰａＡ以下の圧力のことをいう。また、「中圧」とは、高圧窒素凝縮器Ｈ２で気化して生成される中圧酸素ガス、タービン空気蒸化器Ｈ３で気化して生成される中圧タービン空気のうち、最も高い圧力を有する流体の圧力以下で、かつ低圧塔１８の操作圧力よりも高い圧力のことをいう。また、「高圧」とは、高圧窒素凝縮器Ｈ２で気化して生成される中圧酸素ガス、タービン空気蒸化器Ｈ３で気化して生成される中圧タービン空気のうち、最も高い圧力を有する流体の圧力よりも高い圧力のことをいう。
以下、本実施形態の空気分離方法による操業に用いることが可能な空気分離装置について詳述する。
図１は、本実施形態の空気分離装置１０の全体概略構成を示す系統図である。
なお、本実施形態の説明において、「低圧」とは、詳細を後述する低圧塔１８の操作圧力以下で、且つ４００ｋＰａＡ以下の圧力のことをいう。また、「中圧」とは、高圧窒素凝縮器Ｈ２で気化して生成される中圧酸素ガス、タービン空気蒸化器Ｈ３で気化して生成される中圧タービン空気のうち、最も高い圧力を有する流体の圧力以下で、かつ低圧塔１８の操作圧力よりも高い圧力のことをいう。また、「高圧」とは、高圧窒素凝縮器Ｈ２で気化して生成される中圧酸素ガス、タービン空気蒸化器Ｈ３で気化して生成される中圧タービン空気のうち、最も高い圧力を有する流体の圧力よりも高い圧力のことをいう。
【0027】
図１に示すように、本実施形態の空気分離装置１０は、空気圧縮機１１と、空気予冷器１２と、空気精製器１３と、空気昇圧機１４と、空気昇圧機アフタークーラ１５と、主熱交換器１６と、高圧塔１７と、低圧塔１８と、アルゴン塔１９と、タービン空気蒸化器外筒２０と、過冷器２１と、タービンブロワ２２と、タービンブロワアフタークーラ２３と、膨張タービン２４と、液化酸素ポンプ２５と、アルゴン富化液化酸素ポンプ２６と、アルゴン凝縮器Ｈ１と、高圧窒素凝縮器Ｈ２と、タービン空気蒸化器Ｈ３と、ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ４～Ｌ６，Ｌ８～Ｌ１８，Ｌ２０～Ｌ２４，Ｌ３１～Ｌ３５，Ｌ５１，Ｌ５２，Ｌ７１，Ｌ７２，Ｌ１９１，Ｌ１９２と、バルブＶ１～Ｖ８と、を有する。そして、本実施形態の空気分離装置１０は、さらに、原料空気バイパスラインＬ２５と、原料空気バイパス弁Ｖ９と、を有して概略構成される。
【0028】
空気圧縮機１１は、ラインＬ１に設けられており、ラインＬ１を介して、酸素、窒素、及びアルゴンを含む空気（原料空気）を供給する図示略の原料空気供給源、及び空気予冷器１２と接続されている。空気圧縮機１１は、酸素、窒素、及びアルゴンを含む空気を圧縮する。空気圧縮機１１により圧縮された空気（原料空気）は、ラインＬ１を介して、空気予冷器１２に輸送される。
【0029】
ラインＬ１は、一端側が図示略の原料空気供給源と接続され、他端側が高圧塔１７の底部と接続されている。ラインＬ１の一部は、主熱交換器１６を通過している。ラインＬ１は、図示略の原料空気供給源の空気を、空気圧縮機１１で圧縮し、空気予冷器１２で予冷し、空気精製器１３で精製して高圧原料空気を生成し、主熱交換器１６で冷却した後に高圧塔１７に供給する。
【0030】
空気予冷器１２は、空気圧縮機１１と空気精製器１３との間に位置するラインＬ１に設けられている。空気予冷器１２は、ラインＬ１を介して、空気圧縮機１１及び空気精製器１３と接続されている。空気予冷器１２は、空気圧縮機１１によって圧縮された空気の圧縮熱を取り除く。空気予冷器１２により圧縮熱が取り除かれた空気は、ラインＬ１を介して、空気精製器１３に供給される。
【0031】
空気精製器１３は、空気予冷器１２とラインＬ２の分岐位置との間に位置するラインＬ１に設けられている。空気精製器１３は、ラインＬ１を介して、空気予冷器１２及び主熱交換器１６と接続されている。空気精製器１３は、空気予冷器１２により圧縮熱が取り除かれた空気中に含まれる不純物、具体的には、例えば、水や二酸化炭素等を除去し、高圧原料空気を生成する。空気精製器１３によって不純物が除去された高圧原料空気は、ラインＬ１及び主熱交換器１６を介して、高圧塔１７の底部に供給されるとともに、ラインＬ１から分岐されたラインＬ２を介して、空気昇圧機１４に供給され、さらに、ラインＬ１から分岐された原料空気バイパスラインＬ２５を介してラインＬ５１に供給される。
【0032】
ラインＬ２は、空気精製器１３と主熱交換器１６との間に位置するラインＬ１から分岐されており、一端側が高圧塔１７の下部と接続されている。ラインＬ２の一部は主熱交換器１６を通過しており、また、ラインＬ２にはバルブＶ４が設けられている。ラインＬ２は、空気精製器１３で精製された高圧原料空気の一部を、空気昇圧機１４で圧縮し、空気昇圧機アフタークーラ１５で予冷し、主熱交換器１６で冷却し、バルブＶ４で減圧した後に高圧塔１７に供給する。
【0033】
空気昇圧機１４は、ラインＬ２のラインＬ１からの分岐位置と空気昇圧機アフタークーラ１５との間に位置するラインＬ２に設けられている。空気昇圧機１４は、不純物が除去された高圧原料空気の一部をさらに圧縮して昇圧原料空気を生成する。空気昇圧機１４により圧縮された昇圧原料空気は、ラインＬ２を介して、空気昇圧機アフタークーラ１５に輸送される。
【0034】
空気昇圧機アフタークーラ１５は、空気昇圧機１４の下流側に位置するラインＬ２に設けられている。空気昇圧機アフタークーラ１５は、空気昇圧機１４で圧縮された昇圧原料空気の圧縮熱を取り除く。空気昇圧機アフタークーラ１５で冷却された昇圧原料空気は、ラインＬ２、主熱交換器１６及びバルブＶ４を介して高圧原料液化空気となり、高圧塔１７の下部に供給される。
【0035】
バルブＶ４は、主熱交換器１６と高圧塔１７との間に位置するラインＬ２に設けられている。バルブＶ４は、空気昇圧機アフタークーラ１５及び主熱交換器１６で冷却された昇圧原料空気を減圧し、高圧原料液化空気を生成する。
【0036】
主熱交換器１６は、ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ５，Ｌ５１，Ｌ８，Ｌ１３，Ｌ１４，Ｌ１６，Ｌ２０の一部が通過するように配置されている。主熱交換器１６は、ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ５１を流れる高温流体と、ラインＬ５、Ｌ８，Ｌ１３，Ｌ１６，Ｌ２０を流れる低温流体と、を間接熱交換させて各高温流体を冷却し、各低温流体を加温する。
【0037】
高圧塔１７は、ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ７２と接続されている。高圧塔１７は、酸素、窒素、及びアルゴンを含む空気を、圧縮、予冷、精製、及び冷却することで得られる高圧原料空気の一部に加えて、ラインＬ２から供給された高圧原料液化空気と、ラインＬ７２から供給された高圧液化窒素と、を低温蒸留して、高圧窒素ガスと高圧酸素富化液化空気とに分離する。
高圧塔１７では、上記低温蒸留により、高圧塔１７の上部に高圧窒素ガスが濃縮され、高圧塔１７の下部に高圧酸素富化液化空気が濃縮される。
高圧塔１７では、上記低温蒸留により、高圧塔１７の上部に高圧窒素ガスが濃縮され、高圧塔１７の下部に高圧酸素富化液化空気が濃縮される。
【0038】
ラインＬ７１は、一端側が高圧塔１７の頂部と接続され、他端側が高圧窒素凝縮器Ｈ２の液化通路入口と接続されている。ラインＬ７１は、高圧塔１７の上部に濃縮された高圧窒素ガスを高圧窒素凝縮器Ｈ２に供給する。
【0039】
高圧窒素凝縮器Ｈ２は、アルゴン塔１９の底部に収容されており、液化通路入口がラインＬ７１と接続され、液化通路出口がラインＬ７２と接続されている。高圧窒素凝縮器Ｈ２は、ラインＬ７１から供給された高圧窒素ガスとアルゴン塔１９の底部に位置する中圧液化酸素とを間接熱交換させることにより、高圧窒素ガスを液化して高圧液化窒素を生成するとともに、中圧液化酸素を気化して中圧酸素ガスを生成する。
【0040】
ラインＬ８は、ラインＬ７１から分岐されたラインである。ラインＬ８の一部は、主熱交換器１６を通過している。ラインＬ８は、高圧窒素ガスの一部を主熱交換器１６で熱回収した後に製品高圧窒素ガス（ＨＰＧＮ２）として回収するためのラインである。
【0041】
ラインＬ７２は、一端側が高圧窒素凝縮器Ｈ２の液化通路出口と接続され、他端側が高圧塔１７の頂部と接続されている。ラインＬ７２は、高圧窒素凝縮器Ｈ２で生成された高圧液化窒素を高圧塔１７に供給する。
ラインＬ９は、ラインＬ７２から分岐されたラインで、低圧塔１８の頂部と接続されている。ラインＬ９の一部は過冷器２１を通過しており、経路中にバルブＶ６が設けられている。ラインＬ９は、高圧窒素凝縮器Ｈ２で生成された高圧液化窒素の一部を過冷器２１で冷却し、バルブＶ６で減圧した後に低圧塔１８に供給する。
バルブＶ６は、低圧塔１８と過冷器２１との間に位置するラインＬ９に設けられている。バルブＶ６は、ラインＬ９を流れる高圧液化窒素を減圧する。
ラインＬ１０は、ラインＬ９から分岐されたラインである。ラインＬ１０は、高圧液化窒素の一部を製品高圧液化窒素（ＨＰＬＮ２）として回収するためのラインである。
ラインＬ１１は、一端側が高圧塔１７の中間部又は下部と接続され、他端側が低圧塔１８の中間部又は上部と接続されている。ラインＬ１１の一部は過冷器２１を通過しており、また、ラインＬ１１の経路上にはバルブＶ７が設けられている。ラインＬ１１は、高圧塔１７の中間部又は下部を下降する流体の一部を抜き出して、過冷器２１で冷却し、バルブＶ７で減圧した後に低圧塔１８に供給する。
バルブＶ７は、低圧塔１８と過冷器２１との間に位置するラインＬ１１に設けられている。バルブＶ７は、ラインＬ１１を流れる流体を減圧する。
ラインＬ９は、ラインＬ７２から分岐されたラインで、低圧塔１８の頂部と接続されている。ラインＬ９の一部は過冷器２１を通過しており、経路中にバルブＶ６が設けられている。ラインＬ９は、高圧窒素凝縮器Ｈ２で生成された高圧液化窒素の一部を過冷器２１で冷却し、バルブＶ６で減圧した後に低圧塔１８に供給する。
バルブＶ６は、低圧塔１８と過冷器２１との間に位置するラインＬ９に設けられている。バルブＶ６は、ラインＬ９を流れる高圧液化窒素を減圧する。
ラインＬ１０は、ラインＬ９から分岐されたラインである。ラインＬ１０は、高圧液化窒素の一部を製品高圧液化窒素（ＨＰＬＮ２）として回収するためのラインである。
ラインＬ１１は、一端側が高圧塔１７の中間部又は下部と接続され、他端側が低圧塔１８の中間部又は上部と接続されている。ラインＬ１１の一部は過冷器２１を通過しており、また、ラインＬ１１の経路上にはバルブＶ７が設けられている。ラインＬ１１は、高圧塔１７の中間部又は下部を下降する流体の一部を抜き出して、過冷器２１で冷却し、バルブＶ７で減圧した後に低圧塔１８に供給する。
バルブＶ７は、低圧塔１８と過冷器２１との間に位置するラインＬ１１に設けられている。バルブＶ７は、ラインＬ１１を流れる流体を減圧する。
【0042】
ラインＬ４は、一端側が高圧塔１７の底部と接続され、他端側がタービン空気蒸化器外筒２０と接続されている。ラインＬ４の経路には、バルブＶ１が設けられている。ラインＬ４は、高圧塔１７から抜き出した高圧酸素富化液化空気をバルブＶ１で減圧し、中圧酸素富化液化空気を生成してタービン空気蒸化器外筒２０に供給する。
バルブＶ１は、ラインＬ４に設けられている。バルブＶ１は、ラインＬ４を流れる高圧酸素富化液化空気を減圧して中圧酸素富化液化空気を生成する。
なお、図１中に破線で示すように、ラインＬ４から分岐させたラインＬ１２によって高圧酸素富化液化空気の一部を抜き出して過冷器２１で冷却し、バルブＶ３で減圧した後に低圧塔１８に供給することも可能である。
バルブＶ１は、ラインＬ４に設けられている。バルブＶ１は、ラインＬ４を流れる高圧酸素富化液化空気を減圧して中圧酸素富化液化空気を生成する。
なお、図１中に破線で示すように、ラインＬ４から分岐させたラインＬ１２によって高圧酸素富化液化空気の一部を抜き出して過冷器２１で冷却し、バルブＶ３で減圧した後に低圧塔１８に供給することも可能である。
【0043】
ラインＬ３１は、一端側が高圧塔１７の上部と接続され、他端がタービン空気蒸化器Ｈ３の液化通路入口と接続されている。ラインＬ３１は、高圧塔１７の上部に濃縮した高圧窒素ガスを抜き出してタービン空気蒸化器Ｈ３に供給する。
なお、ラインＬ３１によって高圧塔１７の上部から高圧窒素ガスを抜き出すのに替えて、図１中に破線で示すように、ラインＬ１から分岐させたラインＬ３３によって高圧原料空気の一部を抜き出してタービン空気蒸化器Ｈ３に供給したり、高圧塔１７中間部又は下部に一端側が接続されたラインＬ３４によって、高圧塔１７の中間部又は下部を上昇する高圧窒素富化空気を抜き出してタービン空気蒸化器Ｈ３に供給したりすることも可能である。
なお、ラインＬ３１によって高圧塔１７の上部から高圧窒素ガスを抜き出すのに替えて、図１中に破線で示すように、ラインＬ１から分岐させたラインＬ３３によって高圧原料空気の一部を抜き出してタービン空気蒸化器Ｈ３に供給したり、高圧塔１７中間部又は下部に一端側が接続されたラインＬ３４によって、高圧塔１７の中間部又は下部を上昇する高圧窒素富化空気を抜き出してタービン空気蒸化器Ｈ３に供給したりすることも可能である。
【0044】
タービン空気蒸化器外筒２０は、ラインＬ４の一端側と接続されており、その内部にタービン空気蒸化器Ｈ３が収納されている。タービン空気蒸化器外筒２０は、ラインＬ４から供給された中圧酸素富化液化空気を貯めることができる。
【0045】
タービン空気蒸化器Ｈ３は、タービン空気蒸化器外筒２０に収容されており、その液化通路入口がラインＬ３１の一端側と接続されている。タービン空気蒸化器Ｈ３は、ラインＬ３１から供給された高圧窒素ガスと、ラインＬ４から供給された中圧酸素液化空気と、を間接熱交換させることにより、ラインＬ３１から供給された高圧窒素ガスを液化して高圧液化窒素を生成すると共に、ラインＬ４から供給されてタービン空気蒸化器外筒２０の内部に貯められた中圧酸素富化液化空気を気化して中圧タービン空気を生成する。
【0046】
ラインＬ３２は、一端側がタービン空気蒸化器Ｈ３の液化通路出口と接続され、他端側が低圧塔１８の上部と接続されている。ラインＬ３２の一部は過冷器２１を通過しており、また、その経路中にはバルブＶ５が設けられている。ラインＬ３２は、タービン空気蒸化器Ｈ３で生成された高圧液化窒素を、過冷器２１で冷却し、バルブＶ５で減圧した後に低圧塔１８に供給する。
なお、本実施形態においては、図１中に破線で示したように、タービン空気蒸化器Ｈ３の液化通路出口と過冷器２１との間に位置するラインＬ３２から分岐され、一端側が高圧塔１７の上部に接続されたラインＬ３５を設けることも可能である。ラインＬ３５は、ラインＬ３２を流れる高圧液化窒素の全量又は一部を高圧塔１７に供給する。
なお、本実施形態においては、図１中に破線で示したように、タービン空気蒸化器Ｈ３の液化通路出口と過冷器２１との間に位置するラインＬ３２から分岐され、一端側が高圧塔１７の上部に接続されたラインＬ３５を設けることも可能である。ラインＬ３５は、ラインＬ３２を流れる高圧液化窒素の全量又は一部を高圧塔１７に供給する。
【0047】
バルブＶ５は、低圧塔１８と過冷器２１との間に位置するラインＬ３２の経路中に設けられている。バルブＶ５は、ラインＬ３２を流れる高圧液化窒素を減圧する。
【0048】
ラインＬ５は、一端側がタービン空気蒸化器外筒２０のガス取出し口と接続され、他端側がタービンブロワ２２と接続されている。ラインＬ５の一部は、主熱交換器１６を通過している。
ラインＬ５は、タービン空気蒸化器外筒２０の内部に収容されたタービン空気蒸化器Ｈ３で生成された中圧タービン空気を、主熱交換器１６で熱回収した後にタービンブロワ２２に供給する。
ラインＬ５は、タービン空気蒸化器外筒２０の内部に収容されたタービン空気蒸化器Ｈ３で生成された中圧タービン空気を、主熱交換器１６で熱回収した後にタービンブロワ２２に供給する。
【0049】
タービンブロワ２２は、ラインＬ５の一端側と接続されている。タービンブロワ２２は、ラインＬ５を介して輸送される中圧タービン空気を更に圧縮し、高圧タービン空気を生成する。タービンブロワ２２は、後述する膨張タービン２４で発生した回転エネルギーを用いて回転駆動される。
【0050】
ラインＬ５１は、一端側がタービンブロワ２２と接続され、他端側が膨張タービン２４と接続されている。図示例におけるラインＬ５１にはタービンブロワアフタークーラ２３が設けられており、また、その一部は主熱交換器１６を通過している。ラインＬ５１は、タービンブロワ２２で圧縮された高圧タービン空気を、タービンブロワアフタークーラ２３及び主熱交換器１６で冷却した後に膨張タービン２４に供給する。
【0051】
タービンブロワアフタークーラ２３は、タービンブロワ２２と主熱交換器１６との間に位置するラインＬ５１の経路に設けられている。タービンブロワアフタークーラ２３は、タービンブロワ２２で圧縮された高圧タービン空気の圧縮熱を取り除くものである。
【0052】
膨張タービン２４は、ラインＬ５１の一端側と接続されている。膨張タービン２４は、タービンブロワアフタークーラ２３及び主熱交換器１６を経由した高圧タービン空気を断熱膨張させて装置の運転に必要な寒冷を発生させるとともに、低圧タービン空気を生成する。
膨張タービン２４は、この膨張タービン２４で発生した回転エネルギーを用いてタービンブロワ２２を回転駆動する。
膨張タービン２４は、この膨張タービン２４で発生した回転エネルギーを用いてタービンブロワ２２を回転駆動する。
【0053】
ラインＬ５２は、一端側が膨張タービン２４の出口と接続され、他端側が低圧塔１８の中間部と接続されている。ラインＬ５２は、膨張タービン２４で生成された低圧タービン空気を低圧塔１８の中間部に供給する。
【0054】
ラインＬ６は、一端側がタービン空気蒸化器外筒２０の液取出し口と接続され、他端側が低圧塔１８の中間部と接続されている。ラインＬ６の経路中には、バルブＶ２が設けられている。ラインＬ６は、タービン空気蒸化器外筒２０の内部に収容されたタービン空気蒸化器Ｈ３で気化されなかった中圧酸素富化液化空気を、バルブＶ２で減圧した後に低圧塔１８に供給する。
バルブＶ２は、ラインＬ６の経路中に設けられている。バルブＶ２は、ラインＬ６を流れる流体を減圧する。
バルブＶ２は、ラインＬ６の経路中に設けられている。バルブＶ２は、ラインＬ６を流れる流体を減圧する。
【0055】
低圧塔１８は、ラインＬ９の一端側、ラインＬ３２の一端側、ラインＬ１１の一端側、ラインＬ５２の一端側、及びラインＬ６の一端側と接続されており、その底部にアルゴン凝縮器Ｈ１を収容している。低圧塔１８は、バルブＶ５で減圧された流体と、バルブＶ６で減圧された流体と、バルブＶ２で減圧された流体と、バルブＶ７で減圧された流体と、膨張タービン２４で断熱膨張して得られた低圧タービン空気と、に加えて、アルゴン凝縮器Ｈ１で気化して得られた低圧酸素ガスと、を低温蒸留して低圧窒素ガスと低圧液化酸素とアルゴン富化液化酸素とに分離する。
【0056】
ラインＬ１３は、一端側が低圧塔１８の頂部と接続されており、その一部が過冷器２１及び主熱交換器１６を通過している。ラインＬ１３は、低圧塔１８の上部に濃縮した低圧窒素ガスを、過冷器２１及び主熱交換器１６により熱回収した後に製品低圧窒素ガス（ＬＰＧＮ２）として回収するためのラインである。
【0057】
低圧塔１８の底部には、アルゴン凝縮器Ｈ１が設けられており、液化通路入口がラインＬ１９１と接続されている。アルゴン凝縮器Ｈ１は、ラインＬ１９１から供給されたアルゴンガスと低圧塔１８の底部に位置する低圧液化酸素とを間接熱交換させることにより、アルゴンガスを液化して液化アルゴンを生成すると共に、低圧液化酸素を気化して低圧酸素ガスを生成する。
【0058】
ラインＬ１８は、一端側が低圧塔１８の中間部と接続され、他端側がアルゴン塔１９の中間部または下部と接続されている。ラインＬ１８には、アルゴン富化液化酸素ポンプ２６が設けられている。ラインＬ１８は、低圧塔１８の中間部に濃縮したアルゴン富化液化酸素を、アルゴン富化液化酸素ポンプ２６で加圧した後にアルゴン塔１９に供給する。
【0059】
アルゴン富化液化酸素ポンプ２６は、ラインＬ１８の経路中に設けられている。アルゴン富化液化酸素ポンプ２６は、低圧塔１８からラインＬ１８に導出されたアルゴン富化液化酸素を加圧する。
【0060】
アルゴン塔１９は、ラインＬ１８及びＬ１９２の一端と接続されており、その底部に高圧窒素凝縮器Ｈ２を収容している。アルゴン塔１９は、アルゴン富化液化酸素ポンプ２６で加圧されたアルゴン富化液化酸素と、ラインＬ１９２から供給された液化アルゴンと、を低圧塔１８よりも高い圧力で低温蒸留することで、アルゴンガスと中圧液化酸素とに分離する。
【0061】
ラインＬ１９１は、一端側がアルゴン塔１９の頂部と接続され、他端側がアルゴン凝縮器Ｈ１の液化通路入口と接続されている。ラインＬ１９１は、アルゴン塔１９の上部に濃縮したアルゴンガスをアルゴン凝縮器Ｈ１に供給する。
ラインＬ１９２は、一端側がアルゴン凝縮器Ｈ１の液化通路出口と接続され、他端側がアルゴン塔１９の頂部と接続されている。ラインＬ１９２は、アルゴン凝縮器Ｈ１で生成された液化アルゴンをアルゴン塔１９に供給する。
ラインＬ１５は、一端側が低圧塔１８の底部と接続され、他端側がラインＬ２３の一端側及びラインＬ１６の一端側と接続されている。ラインＬ１５は、低圧塔１８の底部に位置する低圧液化酸素をラインＬ１６に供給するためのラインである。
ラインＬ１９２は、一端側がアルゴン凝縮器Ｈ１の液化通路出口と接続され、他端側がアルゴン塔１９の頂部と接続されている。ラインＬ１９２は、アルゴン凝縮器Ｈ１で生成された液化アルゴンをアルゴン塔１９に供給する。
ラインＬ１５は、一端側が低圧塔１８の底部と接続され、他端側がラインＬ２３の一端側及びラインＬ１６の一端側と接続されている。ラインＬ１５は、低圧塔１８の底部に位置する低圧液化酸素をラインＬ１６に供給するためのラインである。
【0062】
ラインＬ１７は、ラインＬ１５から分岐されたラインである。ラインＬ１７は、ラインＬ１５を流れる低圧液化酸素の一部を製品低圧液化酸素（ＬＰＬＯ２）として回収するためのラインである。
ラインＬ２３は、一端側がアルゴン塔１９の底部と接続され、他端側がラインＬ１５の一端側及びラインＬ１６の一端と接続されている。ラインＬ２３の経路中には、バルブＶ８が設けられている。ラインＬ２３は、アルゴン塔１９の底部に位置する中圧液化酸素をラインＬ１６に供給するためのラインである。
バルブＶ８は、ラインＬ２３に設けられている。バルブＶ８は、ラインＬ２３を流れる中圧液化酸素を減圧する。
ラインＬ２４は、ラインＬ２３から分岐されたラインである。ラインＬ２４は、ラインＬ２３を流れる中圧液化酸素の一部を製品中圧液化酸素（ＭＰＬＯ２）として回収するためのラインである。
ラインＬ２３は、一端側がアルゴン塔１９の底部と接続され、他端側がラインＬ１５の一端側及びラインＬ１６の一端と接続されている。ラインＬ２３の経路中には、バルブＶ８が設けられている。ラインＬ２３は、アルゴン塔１９の底部に位置する中圧液化酸素をラインＬ１６に供給するためのラインである。
バルブＶ８は、ラインＬ２３に設けられている。バルブＶ８は、ラインＬ２３を流れる中圧液化酸素を減圧する。
ラインＬ２４は、ラインＬ２３から分岐されたラインである。ラインＬ２４は、ラインＬ２３を流れる中圧液化酸素の一部を製品中圧液化酸素（ＭＰＬＯ２）として回収するためのラインである。
【0063】
ラインＬ１６は、一端側がラインＬ１５の一端側及びラインＬ２３の一端側と接続されている。ラインＬ１６の一部は主熱交換器１６を通過しており、また、ラインＬ１６の経路中には液化酸素ポンプ２５が設けられている。ラインＬ１６は、ラインＬ１６に供給された流体を、液化酸素ポンプ２５で加圧し、主熱交換器１６で熱回収した後に製品高圧酸素ガス（ＨＰＧＯ２）として回収するためのラインである。
液化酸素ポンプ２５は、主熱交換器１６の上流側に位置するラインＬ１６に設けられている。液化酸素ポンプ２５は、ラインＬ１６に供給された流体を加圧する。
液化酸素ポンプ２５は、主熱交換器１６の上流側に位置するラインＬ１６に設けられている。液化酸素ポンプ２５は、ラインＬ１６に供給された流体を加圧する。
【0064】
ラインＬ２０は、ラインＬ１９１から分岐されたラインであり、その一部が主熱交換器１６を通過している。ラインＬ２０は、ラインＬ１９１を流れるアルゴンガスの一部を主熱交換器１６で熱回収した後に製品アルゴンガス（ＧＡＲ）として回収するためのラインである。
なお、図１に破線で示すように、ラインＬ２１の一端側がアルゴン凝縮器Ｈ１の液化通路出口に接続される場合もある。この場合、ラインＬ２１は、アルゴン凝縮器Ｈ１で液化しなかったアルゴンガスを主熱交換器１６で熱回収した後に製品アルゴンガス（ＧＡＲ）として回収する。
ラインＬ２２は、ラインＬ１９２から分岐されたラインである。ラインＬ２２は、ラインＬ１９２を流れる液化アルゴンの一部を製品液化アルゴン（ＬＡＲ）として回収するためのラインである。
なお、図１に破線で示すように、ラインＬ２１の一端側がアルゴン凝縮器Ｈ１の液化通路出口に接続される場合もある。この場合、ラインＬ２１は、アルゴン凝縮器Ｈ１で液化しなかったアルゴンガスを主熱交換器１６で熱回収した後に製品アルゴンガス（ＧＡＲ）として回収する。
ラインＬ２２は、ラインＬ１９２から分岐されたラインである。ラインＬ２２は、ラインＬ１９２を流れる液化アルゴンの一部を製品液化アルゴン（ＬＡＲ）として回収するためのラインである。
【0065】
過冷器２１は、ラインＬ１４の一部、ラインＬ１３の一部、ラインＬ１１の一部、ラインＬ３２の一部、及びラインＬ９の一部が通過するように配置されている。過冷器２１は、ラインＬ１３を流れる低温流体と、ラインＬ１１、ラインＬ３２、ラインＬ９を流れる高温流体と、を間接熱交換させて低温流体を加温し、各高温流体を冷却する。
なお、過冷器２１における低温流体と高温流体の組み合わせはこの限りではない。
なお、過冷器２１における低温流体と高温流体の組み合わせはこの限りではない。
【0066】
ラインＬ１４は、一端側が低圧塔１８の上部と接続されており、その一部が過冷器２１及び主熱交換器１６を通過している。ラインＬ１４は、低圧塔１８の上部に濃縮した低純度の低圧窒素ガスを、過冷器２１及び主熱交換器１６により熱回収した後、廃窒素ガスＷＧＮ２として回収するためのラインである。
【0067】
原料空気バイパスラインＬ２５は、一端側がラインＬ１における空気精製器１３の下流側に接続され、他端側がラインＬ５１における主熱交換器１６の上流側に接続され、経路中に原料空気バイパス弁Ｖ９が設けられている。原料空気バイパスラインＬ２５は、ラインＬ１から高圧原料空気の一部を分岐させて、原料空気バイパス弁Ｖ９で減圧させた後に、ライン５１を流通する高圧タービン空気と合流させる。
原料空気バイパス弁Ｖ９は、主熱交換器１６の上流側に位置する原料空気バイパスラインＬ２５の経路上に設けられている。原料空気バイパス弁Ｖ９は、原料空気バイパスラインＬ２５を流通する高圧原料空気を減圧する。より詳しくは、原料空気バイパス弁Ｖ９は、ラインＬ１から分岐された高圧原料空気の減圧後の圧力を制御することで、原料空気バイパスラインＬ２５における高圧原料空気の流量を間接的に調節可能な構成とされている。
原料空気バイパス弁Ｖ９は、主熱交換器１６の上流側に位置する原料空気バイパスラインＬ２５の経路上に設けられている。原料空気バイパス弁Ｖ９は、原料空気バイパスラインＬ２５を流通する高圧原料空気を減圧する。より詳しくは、原料空気バイパス弁Ｖ９は、ラインＬ１から分岐された高圧原料空気の減圧後の圧力を制御することで、原料空気バイパスラインＬ２５における高圧原料空気の流量を間接的に調節可能な構成とされている。
【0068】
本実施形態では、原料空気バイパス弁Ｖ９を自動弁とし、図示略の流量調節計を用いて、原料空気バイパスラインＬ２５に設けられた図示略の流量計が設定値と一致するように、原料空気バイパス弁Ｖ９を操作することもできる。これに加えて、図示略の圧力調節計を用いて、膨張タービン２４の入口系統に設けられた図示略の圧力計の指示値が目標値と一致するように、流量調節計の設定値を操作し、間接的に流量を制御することも可能である。
【0069】
本実施形態の空気分離装置１０においては、一例として、製品アルゴンガス（ＧＡＲ）又は製品液化アルゴン（ＬＡＲ）を導出するラインＬ２０，Ｌ２２を有する場合を例に挙げて説明したが、ラインＬ２０，Ｌ２２のうち、少なくとも一方のラインを有していればよい。
【0070】
図１においては図示を省略しているが、例えば、製品低圧酸素ガス（ＬＰＧＯ２）が回収される場合、一端が低圧塔１８の底部に接続され、その一部が主熱交換器１６を通過する製品導出ラインが設けられる。この場合、図示略の製品導出ラインは、低圧塔１８の低圧酸素ガスを主熱交換器１６で熱回収した後に製品低圧酸素ガス（ＬＰＧＯ２）として回収する。
また、例えば、製品中圧酸素ガス（ＭＰＧＯ２）が回収される場合、一端側がアルゴン塔１９の底部に接続され、その一部が主熱交換器１６を通過する図示略の製品導出ラインが設けられる。この場合、この製品導出ラインは、アルゴン塔１９の中圧酸素ガスを主熱交換器１６で熱回収した後に製品中圧酸素ガス（ＭＰＧＯ２）として回収する。
また、例えば、製品中圧酸素ガス（ＭＰＧＯ２）が回収される場合、一端側がアルゴン塔１９の底部に接続され、その一部が主熱交換器１６を通過する図示略の製品導出ラインが設けられる。この場合、この製品導出ラインは、アルゴン塔１９の中圧酸素ガスを主熱交換器１６で熱回収した後に製品中圧酸素ガス（ＭＰＧＯ２）として回収する。
【0071】
また、製品低圧酸素ガス（ＬＰＧＯ２）、製品中圧酸素ガス（ＭＰＧＯ２）、製品中圧液化酸素（ＭＰＬＯ２）、及び製品低圧液化酸素（ＬＰＬＯ２）等を回収する代わりに、製品高圧酸素ガス（ＨＰＧＯ２）を回収しない場合には、ラインＬ１６、液化酸素ポンプ２５、空気昇圧機１４、空気昇圧機アフタークーラ１５、ラインＬ２、及びバルブＶ４，Ｖ８を構成要素から除くことができる。
【0072】
本実施形態の空気分離装置１０は、酸素、窒素、及びアルゴンを含む空気を、圧縮、予冷、及び精製することで得られる高圧原料空気を冷却した後に低温蒸留して、高圧窒素ガスと高圧酸素富化液化空気とに分離する高圧塔１７と、高圧酸素富化液化空気を減圧して得られた中圧酸素富化液化空気を気化させて中圧タービン空気を生成するタービン空気蒸化器Ｈ３と、中圧タービン空気を加温した後に圧縮して高圧タービン空気を生成するタービンブロワ２２と、高圧タービン空気を断熱膨張させて低圧タービン空気を生成し、空気分離運転に必要な寒冷を発生させる膨張タービン２４と、低圧タービン空気を低温蒸留して、低圧窒素ガスと低圧液化酸素とアルゴン富化液化酸素とに分離する低圧塔１８と、アルゴン富化液化酸素を加圧した後に低圧塔１８よりも高い圧力で低温蒸留して、アルゴンガスと中圧液化酸素とに分離するアルゴン塔１９と、アルゴンガスと低圧液化酸素との間接熱交換により、アルゴンガスを液化させて液化アルゴンを生成するとともに、低圧液化酸素を気化させて低圧酸素ガスを生成するアルゴン凝縮器Ｈ１と、高圧窒素ガスと中圧液化酸素とを間接熱交換させて、高圧窒素ガスを液化させて高圧液化窒素を生成するとともに、中圧液化酸素を気化させて中圧酸素ガスを生成する高圧窒素凝縮器Ｈ２と、アルゴンガスの一部、アルゴン凝縮器において液化されなかったアルゴンガス及び液化アルゴンの一部のうち、少なくとも１種のアルゴンを製品アルゴンガス（ＧＡＲ）又は製品液化アルゴン（ＬＡＲ）として抜き出す、製品アルゴン導出ラインであるラインＬ２０，Ｌ２１と、を有する。そして、本実施形態の空気分離装置１０は、タービンブロワ２２が、膨張タービン２４で発生した回転エネルギーを用いてタービンブロワ２２を回転駆動し、さらに、高圧原料空気の一部を分岐させて、減圧後に高圧タービン空気と合流させる原料空気バイパスラインＬ２５を有する。
【0073】
本実施形態の空気分離装置１０によれば、上記構成を備えることにより、例えば、製品中圧液化酸素（ＭＰＬＯ２）、製品低圧液化酸素（ＬＰＬＯ２）、製品高圧液化窒素（ＨＰＬＮ２）等の流量が多く、運転に必要な寒冷量が多い場合においても、高圧原料空気の一部を膨張タービン２４の入口となるラインＬ５１にバイパスさせることにより、相対的にタービンブロワ２２の流量を抑えて圧縮比を高め、膨張タービン２４の膨張比を高めて処理量が増加するのを抑制することができる。これにより、低圧塔１８に供給される低圧タービン空気の流量を低減できるので、アルゴン回収率を改善することが可能となる。
【0074】
一方、上述した特許文献２のような、低圧タービン空気の一部又は全量を低圧塔に供給することなく回収（大気放出）する構成の場合、低圧塔に供給する低圧タービン空気の流量が最適化され、アルゴン回収率を改善できるものの、低圧塔に供給されない低圧タービン空気に含まれる酸素成分を製品として回収できないため、酸素回収率が低下する。これに対し、本実施形態の空気分離装置１０を用いることで、低圧タービン空気の全量を低圧塔１８に供給し、低圧塔１８の原料とすることができるので、酸素回収率が低下するのを抑制できる。
【0075】
＜空気分離方法＞
以下、本実施形態の空気分離方法について、図１に示した空気分離装置１０を用いて空気分離を行う方法を例示して詳述する。
なお、以下の説明においては、上述した本実施形態の空気分離装置１０の説明と同様、図１を参照しながら説明するとともに、既に説明した空気分離装置１０の構成については、その詳細な説明を省略する。
以下、本実施形態の空気分離方法について、図１に示した空気分離装置１０を用いて空気分離を行う方法を例示して詳述する。
なお、以下の説明においては、上述した本実施形態の空気分離装置１０の説明と同様、図１を参照しながら説明するとともに、既に説明した空気分離装置１０の構成については、その詳細な説明を省略する。
【0076】
酸素、窒素、及びアルゴンを含む空気はラインＬ１に供給される。この空気は、空気圧縮機１１により圧縮され、空気予冷器１２で圧縮熱が取り除かれ、空気精製器１３で該空気中に含まれる不純物、具体的には、例えば、水や二酸化炭素等が除去され、高圧原料空気となる。
空気精製器１３において該不純物が除去された高圧原料空気の一部は、主熱交換器１６で冷却され、高圧塔１７に供給される。
空気精製器１３において該不純物が除去された高圧原料空気の一部は、主熱交換器１６で冷却され、高圧塔１７に供給される。
【0077】
空気精製器１３において不純物が除去された高圧原料空気の残りの一部は、ラインＬ１から分岐されたラインＬ２に設けられた空気昇圧機１４によってさらに昇圧され、昇圧原料空気となる。昇圧原料空気は、空気昇圧機アフタークーラ１５によって圧縮熱が取り除かれ、主熱交換器１６で冷却され、その後、バルブＶ４で減圧されることで高圧原料液化空気となり、高圧塔１７に供給される。
【0078】
主熱交換器１６では、ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ５１を流れる高温流体と、ラインＬ５、Ｌ８，Ｌ１３，Ｌ１４，Ｌ１６，Ｌ２０を流れる低温流体と、を間接熱交換させて各高温流体が冷却され、各低温流体が加温される。
【0079】
高圧塔１７では、ラインＬ１を介して導入される高圧原料空気と、ラインＬ２を介して導入される高圧原料液化空気と、ラインＬ７２を介して導入される高圧液化窒素と、が低温蒸留により、高圧塔１７の上部に位置する高圧窒素ガスと、下部に位置する高圧酸素富化液化空気と、に分離される（高圧分離工程）。
【0080】
高圧塔１７の頂部に位置する高圧窒素ガスは、ラインＬ７１を介して、アルゴン塔１９の底部に収容された高圧窒素凝縮器Ｈ２に導入される。
ラインＬ７１を介して高圧窒素凝縮器Ｈ２に供給された高圧窒素ガスは、アルゴン塔１９の底部に位置する中圧液化酸素との間接熱交換により、自らは液化して高圧液化窒素になるとともに、アルゴン塔１９の底部に位置する中圧液化酸素を気化させて中圧酸素ガスを生成する（高圧窒素凝縮工程）。
ラインＬ７１を介して高圧窒素凝縮器Ｈ２に供給された高圧窒素ガスは、アルゴン塔１９の底部に位置する中圧液化酸素との間接熱交換により、自らは液化して高圧液化窒素になるとともに、アルゴン塔１９の底部に位置する中圧液化酸素を気化させて中圧酸素ガスを生成する（高圧窒素凝縮工程）。
【0081】
ラインＬ７１に導出された高圧窒素ガスの一部は、ラインＬ７１から分岐されたラインＬ８に導出され、主熱交換器１６で熱回収された後に製品高圧窒素ガス（ＨＰＧＮ２）として回収される。
【0082】
高圧窒素凝縮器Ｈ２で生成された高圧液化窒素は、ラインＬ７２を介して、高圧塔１７の頂部に導入される。
ラインＬ７２に導出された高圧液化窒素の一部は、ラインＬ９に導出され、過冷器２１で冷却され、バルブＶ６で減圧された後に低圧塔１８の頂部に導入される。
ラインＬ９の高圧液化窒素の一部は、ラインＬ１０に導出され製品高圧液化窒素（ＨＰＬＮ２）として回収される。
ラインＬ７２に導出された高圧液化窒素の一部は、ラインＬ９に導出され、過冷器２１で冷却され、バルブＶ６で減圧された後に低圧塔１８の頂部に導入される。
ラインＬ９の高圧液化窒素の一部は、ラインＬ１０に導出され製品高圧液化窒素（ＨＰＬＮ２）として回収される。
【0083】
高圧塔１７の底部に位置する高圧酸素富化液化空気は、ラインＬ４に導出され、バルブＶ１で減圧されて中圧酸素富化液化空気となり、タービン空気蒸化器外筒２０に供給される。
高圧塔１７の上部に濃縮した高圧窒素ガスの一部は、高圧塔１７の上部からラインＬ３１に導出され、タービン空気蒸化器Ｈ３に導入される。
高圧塔１７の上部に濃縮した高圧窒素ガスの一部は、高圧塔１７の上部からラインＬ３１に導出され、タービン空気蒸化器Ｈ３に導入される。
【0084】
ラインＬ３１を介してタービン空気蒸化器Ｈ３に供給された高圧窒素ガスは、ラインＬ４を介してタービン空気蒸化器外筒２０に供給された中圧酸素富化液化空気との間接熱交換により、自らは液化して高圧液化窒素になるとともに、ラインＬ４を介してタービン空気蒸化器外筒２０に供給された中圧酸素富化液化空気を気化させて中圧タービン空気を生成する（タービン空気生成工程）。
【0085】
なお、ラインＬ３１を介してタービン空気蒸化器Ｈ３に導入される流体は、高圧塔１７の上部に濃縮した高圧窒素ガスに替えて、図１中に破線で示すように、高圧原料空気の一部（ラインＬ３３）又は高圧塔１７の中間部又は下部を上昇する高圧窒素富化空気の一部（ラインＬ３４）とすることができる。
この場合においても、高圧原料空気の一部又は高圧窒素富化空気の一部はタービン空気蒸化器Ｈ３で液化し、それぞれ高圧液化空気又は高圧窒素富化液化空気となる。
この場合においても、高圧原料空気の一部又は高圧窒素富化空気の一部はタービン空気蒸化器Ｈ３で液化し、それぞれ高圧液化空気又は高圧窒素富化液化空気となる。
【0086】
上記の流体の変更により、タービン空気蒸化器Ｈ３で凝縮側の流体温度が上昇し、蒸発側の流体温度も上昇するため、タービン空気蒸化器Ｈ３で発生する中圧タービン空気の圧力が高くなり、結果的として、後述する膨張タービン２４における膨張比を大きくすることが可能になるという利点がある。
【0087】
また、本実施形態においては、図１中に破線で示したように、タービン空気蒸化器Ｈ３で液化した流体の全量又は一部を、ラインＬ３２から分岐させたラインＬ３５に導出し、高圧塔１７に供給することも可能である。
【0088】
タービン空気蒸化器Ｈ３において生成された高圧液化窒素は、ラインＬ３２に導出された後、過冷器２１で冷却され、バルブＶ５で減圧された後に低圧塔１８の上部に導入される。
タービン空気蒸化器Ｈ３において生成された中圧タービン空気は、ラインＬ５に導出され、主熱交換器１６で常温まで熱回収された後、タービンブロワ２２で圧縮される（タービン空気圧縮工程）。
なお、タービン空気圧縮工程においては、詳細を後述するタービン空気断熱膨張工程によって発生したエネルギーを利用して、中圧タービン空気を圧縮する。即ち、タービン空気圧縮工程では、膨張タービン２４によってタービンブロワ２２が回転駆動され、中圧タービン空気を圧縮する。
タービン空気蒸化器Ｈ３において生成された中圧タービン空気は、ラインＬ５に導出され、主熱交換器１６で常温まで熱回収された後、タービンブロワ２２で圧縮される（タービン空気圧縮工程）。
なお、タービン空気圧縮工程においては、詳細を後述するタービン空気断熱膨張工程によって発生したエネルギーを利用して、中圧タービン空気を圧縮する。即ち、タービン空気圧縮工程では、膨張タービン２４によってタービンブロワ２２が回転駆動され、中圧タービン空気を圧縮する。
【0089】
タービンブロワ２２で圧縮して生成された高圧タービン空気は、ラインＬ５１に導出され、タービンブロワアフタークーラ２３で圧縮熱を取り除かれ、主熱交換器１６でさらに冷却された後に膨張タービン２４に導入される。
膨張タービン２４に導入された高圧タービン空気は、断熱膨張により低圧塔１８の操作圧力付近まで減圧され、装置の運転に必要な寒冷を発生させた後に低圧タービン空気となり、ラインＬ５２に導出される（タービン空気断熱膨張工程）。
なお、タービン空気断熱膨張工程によって発生したエネルギーは、上述したタービン空気圧縮工程に利用され、中圧タービン空気を圧縮する。
膨張タービン２４に導入された高圧タービン空気は、断熱膨張により低圧塔１８の操作圧力付近まで減圧され、装置の運転に必要な寒冷を発生させた後に低圧タービン空気となり、ラインＬ５２に導出される（タービン空気断熱膨張工程）。
なお、タービン空気断熱膨張工程によって発生したエネルギーは、上述したタービン空気圧縮工程に利用され、中圧タービン空気を圧縮する。
【0090】
ここで、本実施形態の空気分離方法においては、原料空気バイパスラインＬ２５によってラインＬ１から高圧原料空気の一部を分岐させ、原料空気バイパス弁Ｖ９で減圧させた後に、ライン５１を流通する高圧タービン空気と合流させる（原料空気バイパス工程）。
上記により、タービンブロワ２２の流量が膨張タービン２４の流量に比べて相対的に少なくなり、タービンブロワ２２の出口圧力が上昇するため、膨張タービン２４の膨張比が大きくなる。これにより、膨張タービン２４における単位処理量あたりの発生寒冷量を増加させることが可能になる。
また、原料空気バイパスラインＬ２５の流量増加に伴い、高圧タービン空気の圧力が上昇するので、原料空気バイパスラインＬ２５の流量により、高圧タービン空気の圧力を調節することが可能になる。高圧タービン空気の圧力は、高圧原料空気の圧力又は高圧塔１７の圧力と同等か、それ以下の圧力とされる。
上記により、タービンブロワ２２の流量が膨張タービン２４の流量に比べて相対的に少なくなり、タービンブロワ２２の出口圧力が上昇するため、膨張タービン２４の膨張比が大きくなる。これにより、膨張タービン２４における単位処理量あたりの発生寒冷量を増加させることが可能になる。
また、原料空気バイパスラインＬ２５の流量増加に伴い、高圧タービン空気の圧力が上昇するので、原料空気バイパスラインＬ２５の流量により、高圧タービン空気の圧力を調節することが可能になる。高圧タービン空気の圧力は、高圧原料空気の圧力又は高圧塔１７の圧力と同等か、それ以下の圧力とされる。
【0091】
原料空気バイパス工程においては、例えば、原料空気バイパス弁Ｖ９が、ラインＬ１から分岐された高圧原料空気の減圧後の圧力を制御することで、原料空気バイパスラインＬ２５における高圧原料空気の流量を間接的に調節可能とされている。
なお、原料空気バイパスラインＬ２５及び原料空気バイパス弁Ｖ９は、空気分離装置１０の起動時にも使用することができる。このような場合、空気分離装置１０を起動して高圧塔１７、低圧塔１８、アルゴン塔１９等の各機器を、常温の初期状態から低温の定常状態まで冷却する際に、ラインＬ１の高圧原料空気を、原料空気バイパスラインＬ２５を経由して、高圧塔１７を経由することなく膨張タービン２４に供給することができる。これにより、膨張タービン２４での断熱膨張によって低温の流体を生成することができるので、効率的に装置を冷却することが可能となる。
なお、原料空気バイパスラインＬ２５及び原料空気バイパス弁Ｖ９は、空気分離装置１０の起動時にも使用することができる。このような場合、空気分離装置１０を起動して高圧塔１７、低圧塔１８、アルゴン塔１９等の各機器を、常温の初期状態から低温の定常状態まで冷却する際に、ラインＬ１の高圧原料空気を、原料空気バイパスラインＬ２５を経由して、高圧塔１７を経由することなく膨張タービン２４に供給することができる。これにより、膨張タービン２４での断熱膨張によって低温の流体を生成することができるので、効率的に装置を冷却することが可能となる。
【0092】
ラインＬ５２に導出された低圧タービン空気は、低圧塔１８の原料として低圧塔１８の中間部に導入される。
【0093】
タービン空気蒸化器外筒２０に供給され、タービン空気蒸化器Ｈ３において気化されなかった中圧酸素富化液化空気は、ラインＬ６に導出され、バルブＶ２で減圧された後に低圧塔１８の原料として低圧塔１８の中間部に導入される。
【0094】
低圧塔１８では、バルブＶ５で減圧された流体と、バルブＶ７で減圧された流体と、バルブＶ６で減圧された流体と、バルブＶ２で減圧された流体と、膨張タービン２４で断熱膨張して得られた低圧タービン空気と、に加えて、アルゴン凝縮器Ｈ１で気化して得られた低圧酸素ガスと、が低温蒸留により、低圧塔１８の上部に位置する低圧窒素ガスと、低圧塔１８の下部に位置する低圧液化酸素と、低圧塔１８の中間部に位置するアルゴン富化液化酸素と、に分離される（低圧分離工程）。
【0095】
低圧塔１８の頂部に位置する低圧窒素ガスは、ラインＬ１３に導出され、過冷器２１及び主熱交換器１６によって熱回収された後に、製品低圧窒素ガス（ＬＰＧＮ２）として回収される。
低圧塔１８の上部を上昇する低純度の低圧窒素ガスは、ラインＬ１４に導出され、過冷器２１及び主熱交換器１６で熱回収された後、廃窒素ガスＷＧＮ２として回収される。 過冷器２１では、ラインＬ１１、ラインＬ３２、ラインＬ９を流れる高温流体と、ラインＬ１３、ラインＬ１４を流れる低温流体と、の間接熱交換により、各高温流体が冷却され、各低温流体が加温されるが、高温流体と低温流体の組み合わせはこの限りではない。
低圧塔１８の底部に位置する低圧液化酸素は、低圧塔１８の底部に収容されたアルゴン凝縮器Ｈ１において、アルゴン塔１９の頂部のアルゴンガスとの間接熱交換により、自らは気化して低圧酸素ガスになるとともに、アルゴンガスを液化させて液化アルゴンを生成する（アルゴン凝縮工程）。
低圧塔１８の上部を上昇する低純度の低圧窒素ガスは、ラインＬ１４に導出され、過冷器２１及び主熱交換器１６で熱回収された後、廃窒素ガスＷＧＮ２として回収される。 過冷器２１では、ラインＬ１１、ラインＬ３２、ラインＬ９を流れる高温流体と、ラインＬ１３、ラインＬ１４を流れる低温流体と、の間接熱交換により、各高温流体が冷却され、各低温流体が加温されるが、高温流体と低温流体の組み合わせはこの限りではない。
低圧塔１８の底部に位置する低圧液化酸素は、低圧塔１８の底部に収容されたアルゴン凝縮器Ｈ１において、アルゴン塔１９の頂部のアルゴンガスとの間接熱交換により、自らは気化して低圧酸素ガスになるとともに、アルゴンガスを液化させて液化アルゴンを生成する（アルゴン凝縮工程）。
【0096】
アルゴン凝縮器Ｈ１で気化されなかった低圧液化酸素は、ラインＬ１５に導出され、バルブＶ８で減圧された中圧液化酸素と合流してラインＬ１６に導入される。
ラインＬ１６に導入された流体は、液化酸素ポンプ２５で製品仕様に応じた必要な圧力まで加圧され、高圧液化酸素となる。高圧液化酸素は、主熱交換器１６で全量気化し、常温まで熱回収された後に製品高圧酸素ガス（ＨＰＧＯ２）として回収される。
ラインＬ１５に導出された低圧液化酸素の一部は、ラインＬ１５から分岐されたラインＬ１７に導出され、製品低圧液化酸素（ＬＰＬＯ２）として回収される。
ラインＬ１６に導入された流体は、液化酸素ポンプ２５で製品仕様に応じた必要な圧力まで加圧され、高圧液化酸素となる。高圧液化酸素は、主熱交換器１６で全量気化し、常温まで熱回収された後に製品高圧酸素ガス（ＨＰＧＯ２）として回収される。
ラインＬ１５に導出された低圧液化酸素の一部は、ラインＬ１５から分岐されたラインＬ１７に導出され、製品低圧液化酸素（ＬＰＬＯ２）として回収される。
【0097】
低圧塔１８の中間部に濃縮されたアルゴン富化液化酸素は、ラインＬ１８に導出され、アルゴン富化液化酸素ポンプ２６により、低圧塔１８よりも操作圧力の高いアルゴン塔１９に送液するのに必要な圧力まで加圧された後に、アルゴン塔１９の中間部又は下部に導入される。
【0098】
なお、低圧塔１８とアルゴン塔１９との位置関係により、アルゴン富化液化酸素ポンプ２６を用いることなく、液面高さの違いによる液ヘッドを利用して、アルゴン塔１９に低圧塔１８のアルゴン富化液化酸素を送液できる場合もある。この場合、アルゴン富化液化酸素ポンプ２６が不要となる。
【0099】
アルゴン塔１９では、ラインＬ１８を介して供給されたアルゴン富化液化酸素と、ラインＬ１９２を介して供給された液化アルゴンと、高圧窒素凝縮器Ｈ２で気化して得られた中圧酸素ガスと、が低温蒸留により、アルゴン塔１９の上部に位置するアルゴンガスと、アルゴン塔１９の下部に位置する中圧液化酸素と、に分離される（アルゴン分離工程）。
【0100】
アルゴン塔１９の上部に位置するアルゴンガスは、ラインＬ１９１を介して、アルゴン凝縮器Ｈ１に導入される。
アルゴン凝縮器Ｈ１導入されたアルゴンガスは、低圧塔１８の底部に位置する低圧液化酸素との間接熱交換により、自らは液化して液化アルゴンになるとともに、低圧液化酸素を気化させて低圧酸素ガスを生成する（アルゴン凝縮工程）。
アルゴン凝縮工程によって生成された液化アルゴンは、ラインＬ１９２を介して、アルゴン塔１９の頂部に導入される。
ラインＬ１９１のアルゴンガスの一部は、ラインＬ１９１から分岐されたラインＬ２０に導出され、主熱交換器１６で常温まで熱回収された後に、製品アルゴンガス（ＧＡＲ）として回収される（製品アルゴン導出工程）。
アルゴン凝縮器Ｈ１導入されたアルゴンガスは、低圧塔１８の底部に位置する低圧液化酸素との間接熱交換により、自らは液化して液化アルゴンになるとともに、低圧液化酸素を気化させて低圧酸素ガスを生成する（アルゴン凝縮工程）。
アルゴン凝縮工程によって生成された液化アルゴンは、ラインＬ１９２を介して、アルゴン塔１９の頂部に導入される。
ラインＬ１９１のアルゴンガスの一部は、ラインＬ１９１から分岐されたラインＬ２０に導出され、主熱交換器１６で常温まで熱回収された後に、製品アルゴンガス（ＧＡＲ）として回収される（製品アルゴン導出工程）。
【0101】
また、図１中に破線示すように、アルゴン凝縮器Ｈ１で液化しなかったアルゴンガスが、ラインＬ２１に導出され、主熱交換器１６で常温まで熱回収された後に、製品アルゴンガス（ＧＡＲ）として回収される場合もある。
ラインＬ１９２を流れる液化アルゴンの一部は、ラインＬ１９２から分岐されたラインＬ２２に導出され、製品液化アルゴン（ＬＡＲ）として回収される（製品アルゴン導出工程）。
ラインＬ１９２を流れる液化アルゴンの一部は、ラインＬ１９２から分岐されたラインＬ２２に導出され、製品液化アルゴン（ＬＡＲ）として回収される（製品アルゴン導出工程）。
【0102】
アルゴン塔１９の底部に位置する中圧液化酸素は、アルゴン塔１９の底部に収容された高圧窒素凝縮器Ｈ２において、高圧塔１７の頂部から供給された高圧窒素ガスとの間接熱交換により、自らは気化して中圧酸素ガスになるとともに、高圧窒素ガスを液化させて高圧液化窒素を生成する（高圧窒素凝縮工程）。
高圧窒素凝縮器Ｈ２で気化されなかった中圧液化酸素は、ラインＬ２３に導出され、バルブＶ８で減圧された後にラインＬ１５の低圧液化酸素と合流する。
ラインＬ２３に導出された中圧液化酸素の一部は、ラインＬ２３から分岐されたラインＬ２４に導出され、製品中圧液化酸素（ＭＰＬＯ２）として回収される。
高圧窒素凝縮器Ｈ２で気化されなかった中圧液化酸素は、ラインＬ２３に導出され、バルブＶ８で減圧された後にラインＬ１５の低圧液化酸素と合流する。
ラインＬ２３に導出された中圧液化酸素の一部は、ラインＬ２３から分岐されたラインＬ２４に導出され、製品中圧液化酸素（ＭＰＬＯ２）として回収される。
【0103】
なお、図１においては図示を省略しているが、一端側が低圧塔１８の底部に接続されたラインＬ１５の他端側が、アルゴン塔１９の下部に接続される場合もある。この場合、ラインＬ１５は、低圧塔１８の底部から導出された低圧液化酸素を、液面高さの違いによる液ヘッド又はラインＬ１５に設置されたポンプ（図示略）等によって加圧して加圧液化酸素を生成し、アルゴン塔１９の下部に供給する。ラインＬ１５から供給された加圧液化酸素は、アルゴン塔１９の底部に位置する中圧液化酸素と合流し、ラインＬ２３に導出され、ラインＬ１６を経由して製品高圧酸素ガス（ＨＰＧＯ２）として回収される。この場合は、ラインＬ２３に設けられたバルブＶ８が不要となる。
また、図１においては図示を省略しているが、一端側がアルゴン塔１９の底部に接続されたラインＬ２３の他端側が、低圧塔１８の下部に接続される場合もある。この場合、ラインＬ２３は、アルゴン塔１９の底部から導出された中圧液化酸素を、バルブＶ８によって減圧して減圧液化酸素を生成し、低圧塔１８の下部に供給する。ラインＬ２３から供給された減圧液化酸素は、低圧塔１８の底部に位置する低圧液化酸素と合流し、ラインＬ１５に導出され、ラインＬ１６を経由して製品高圧酸素ガス（ＨＰＧＯ２）として回収される。
また、図１においては図示を省略しているが、一端側がアルゴン塔１９の底部に接続されたラインＬ２３の他端側が、低圧塔１８の下部に接続される場合もある。この場合、ラインＬ２３は、アルゴン塔１９の底部から導出された中圧液化酸素を、バルブＶ８によって減圧して減圧液化酸素を生成し、低圧塔１８の下部に供給する。ラインＬ２３から供給された減圧液化酸素は、低圧塔１８の底部に位置する低圧液化酸素と合流し、ラインＬ１５に導出され、ラインＬ１６を経由して製品高圧酸素ガス（ＨＰＧＯ２）として回収される。
【0104】
また、図１においては図示を省略しているが、ラインＬ２を介して高圧塔１７に導入される高圧原料液化空気は、その一部又は全量が低圧塔１８の中間部又は上部に供給される場合もある。
また、原料空気バイパスラインＬ２５は、ラインＬ１の主熱交換器１６の途中から、又はラインＬ１の主熱交換器１６の出口から分岐して、ラインＬ５１の膨張タービン２４の入口に合流する場合もある。この場合、ラインＬ１の主熱交換器１６で冷却された高圧原料空気の一部を膨張タービン２４の入口にバイパスして供給することが可能である。
また、原料空気バイパスラインＬ２５は、ラインＬ１の主熱交換器１６の途中から、又はラインＬ１の主熱交換器１６の出口から分岐して、ラインＬ５１の膨張タービン２４の入口に合流する場合もある。この場合、ラインＬ１の主熱交換器１６で冷却された高圧原料空気の一部を膨張タービン２４の入口にバイパスして供給することが可能である。
【0105】
製品アルゴンガス（ＧＡＲ）に含まれるアルゴンの濃度、及び製品液化アルゴン（ＬＡＲ）に含まれるアルゴンの濃度は、例えば、５０％以上、好ましくは９５％以上にすることが好ましい。
アルゴンガスや液化アルゴンは、上述の通り製品としてそのまま回収される場合の他に、後段に図示略のアルゴン精製設備を設けて酸素成分や窒素成分等の不純物を除去する場合がある。
製品アルゴンガス（ＧＡＲ）や製品液化アルゴン（ＬＡＲ）が不要な場合においても、製品高圧酸素ガス（ＨＰＧＯ２）や製品液化酸素（ＬＰＬＯ２やＭＰＬＯ２等）の純度が高い場合、例えば、酸素濃度が９８％以上の場合には、酸素回収率の改善を目的としてアルゴンガスが回収される場合もある。
アルゴンガスや液化アルゴンは、上述の通り製品としてそのまま回収される場合の他に、後段に図示略のアルゴン精製設備を設けて酸素成分や窒素成分等の不純物を除去する場合がある。
製品アルゴンガス（ＧＡＲ）や製品液化アルゴン（ＬＡＲ）が不要な場合においても、製品高圧酸素ガス（ＨＰＧＯ２）や製品液化酸素（ＬＰＬＯ２やＭＰＬＯ２等）の純度が高い場合、例えば、酸素濃度が９８％以上の場合には、酸素回収率の改善を目的としてアルゴンガスが回収される場合もある。
【0106】
図１においては図示を省略しているが、製品低圧酸素ガス（ＬＰＧＯ２）が回収される場合、低圧塔１８の底部から低圧酸素ガスが導出され、主熱交換器１６で常温まで熱回収された後に、製品として回収される。
また、製品中圧酸素ガス（ＭＰＧＯ２）が回収される場合、アルゴン塔１９の底部から中圧酸素ガスが導出され、主熱交換器１６で常温まで熱回収された後に、製品として回収される。
また、製品中圧酸素ガス（ＭＰＧＯ２）が回収される場合、アルゴン塔１９の底部から中圧酸素ガスが導出され、主熱交換器１６で常温まで熱回収された後に、製品として回収される。
【0107】
製品低圧酸素ガス（ＬＰＧＯ２）、及び／又は、製品中圧酸素ガス（ＭＰＧＯ２）が回収される場合、図示略のラインを経由して低圧塔１８の底部の低圧液化酸素をアルゴン塔１９の底部に導入したり、図示略のラインを経由してアルゴン塔１９の底部の中圧液化酸素を低圧塔１８の底部に導入したりすることで、流量バランスを調整できる。
【0108】
本実施形態の空気分離方法は、酸素、窒素、及びアルゴンを含む空気を、圧縮、予冷、及び精製することで得られる高圧原料空気を冷却した後に低温蒸留して、高圧窒素ガスと高圧酸素富化液化空気とに分離する高圧分離工程と、高圧酸素富化液化空気を減圧して得られた中圧酸素富化液化空気を気化させて中圧タービン空気を生成するタービン空気生成工程と、中圧タービン空気を加温した後に圧縮して高圧タービン空気を生成するタービン空気圧縮工程と、高圧タービン空気を断熱膨張させて低圧タービン空気を生成し、空気分離運転に必要な寒冷を発生させるタービン空気断熱膨張工程と、低圧タービン空気を低温蒸留して、低圧窒素ガスと低圧液化酸素とアルゴン富化液化酸素とに分離する低圧分離工程と、アルゴン富化液化酸素を加圧した後に低圧分離工程よりも高い圧力で低温蒸留して、アルゴンガスと中圧液化酸素とに分離するアルゴン分離工程と、アルゴンガスと低圧液化酸素との間接熱交換により、アルゴンガスを液化させて液化アルゴンを生成するとともに、低圧液化酸素を気化させて低圧酸素ガスを生成するアルゴン凝縮工程と、高圧窒素ガスと中圧液化酸素とを間接熱交換させることで、高圧窒素ガスを液化させて高圧液化窒素を生成するとともに、中圧液化酸素を気化させて中圧酸素ガスを生成する高圧窒素凝縮工程と、アルゴンガスの一部、アルゴン凝縮工程において液化されなかったアルゴンガス及び液化アルゴンの一部のうち、少なくとも１種のアルゴンを製品として抜き出す製品アルゴン導出工程と、を有し、タービン空気圧縮工程は、タービン空気断熱膨張工程によって発生したエネルギーを用いて中圧タービン空気を圧縮し、さらに、高圧原料空気の一部を分岐させて、減圧後に前記高圧タービン空気と合流させる原料空気バイパス工程を有する。
【0109】
本実施形態の空気分離方法によれば、上記各工程を備えた方法を備えることにより、上記同様、例えば、製品中圧液化酸素（ＭＰＬＯ２）、製品低圧液化酸素（ＬＰＬＯ２）、製品高圧液化窒素（ＨＰＬＮ２）等の流量が多く、運転に必要な寒冷量が多い場合においても、高圧原料空気の一部を膨張タービン２４の入口となるラインＬ５１にバイパスさせることで、相対的にタービンブロワ２２の流量を抑えて圧縮比を高め、膨張タービン２４の膨張比を高めて処理量が増加するのを抑制することができる。これにより、低圧塔１８に供給される低圧タービン空気の流量を低減できるので、アルゴン回収率を改善することが可能となる。
【0110】
また、上述した特許文献２のように、低圧タービン空気の一部又は全量を低圧塔に供給することなく回収（大気放出）する場合には、低圧塔に供給する低圧タービン空気の流量が最適化され、アルゴン回収率を改善できるものの、低圧塔に供給されない低圧タービン空気に含まれる酸素成分を製品として回収できないため、酸素回収率が低下する。これに対し、本実施形態の空気分離装置１０を用いることで、低圧タービン空気の全量を低圧塔１８に供給し、低圧塔１８の原料とすることができるので、酸素回収率が低下するのを抑制できる。
【0111】
なお、上述したように、高圧塔１７、低圧塔１８、及びアルゴン塔１９は、各工程により熱的に統合されているため、各蒸留塔の操作圧力は、低圧塔１８、アルゴン塔１９、高圧塔１７の順に高くなっている。
【0112】
＜その他の形態＞
以上、実施形態により本発明に係る空気分離方法及び空気分離装置の一例を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記の実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。
以上、実施形態により本発明に係る空気分離方法及び空気分離装置の一例を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記の実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。
【0113】
＜作用効果＞
以上説明したように、本実施形態の空気分離方法によれば、中圧タービン空気を生成するタービン空気生成工程と、高圧タービン空気を生成するタービン空気圧縮工程と、を備え、さらに、高圧原料空気の一部を減圧して高圧タービン空気と合流させる原料空気バイパス工程を含む方法を採用している。このように、高圧原料空気の一部を分岐して酸素富化空気である高圧タービン空気と合流させることにより、発生寒冷量を維持しつつ膨張タービン２４の処理量を削減するか、あるいは、膨張タービン２４の処理量を維持しつつ発生寒冷量を増やすことが可能となる。
従って、酸素回収率を維持又は酸素回収率の低下を抑制しつつ、アルゴン回収率を改善することが可能となる。
以上説明したように、本実施形態の空気分離方法によれば、中圧タービン空気を生成するタービン空気生成工程と、高圧タービン空気を生成するタービン空気圧縮工程と、を備え、さらに、高圧原料空気の一部を減圧して高圧タービン空気と合流させる原料空気バイパス工程を含む方法を採用している。このように、高圧原料空気の一部を分岐して酸素富化空気である高圧タービン空気と合流させることにより、発生寒冷量を維持しつつ膨張タービン２４の処理量を削減するか、あるいは、膨張タービン２４の処理量を維持しつつ発生寒冷量を増やすことが可能となる。
従って、酸素回収率を維持又は酸素回収率の低下を抑制しつつ、アルゴン回収率を改善することが可能となる。
【0114】
また、本実施形態の空気分離装置１０によれば、上記のような、高圧塔１７の底部から導出された高圧酸素富化液化空気を減圧後に間接熱交換して気化させることで、酸素富化空気である中圧タービン空気を生成し、これをタービンブロワ２２で圧縮した後に膨張タービン２４で断熱膨張させて低圧塔１８に供給する装置構成において、さらに、高圧原料空気の一部を減圧してから高圧タービン空気と合流させる原料空気バイパスラインＬ２５を含む構成を採用している。このような原料空気バイパスラインＬ２５を備えることで、上記同様、発生寒冷量を維持しつつ膨張タービン２４の処理量を削減できること、あるいは、膨張タービン２４の処理量を維持しつつ発生寒冷量を増やすことが可能となる。
従って、上記同様、酸素回収率を維持又は酸素回収率の低下を抑制しつつ、アルゴン回収率を改善することが可能となる。
従って、上記同様、酸素回収率を維持又は酸素回収率の低下を抑制しつつ、アルゴン回収率を改善することが可能となる。
【実施例0115】
以下、本発明の空気分離方法及び空気分離装置について、実施例を示してより詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。
【0116】
＜実施例＞
実施例においては、大陽日酸株式会社製のシミュレータ（本シミュレータは実際に空気分離装置を設計する際に使用しているものと同じもの）を用いて、図１に示す空気分離装置１０を用いた場合のシミュレーションを実施した。
実施例においては、大陽日酸株式会社製のシミュレータ（本シミュレータは実際に空気分離装置を設計する際に使用しているものと同じもの）を用いて、図１に示す空気分離装置１０を用いた場合のシミュレーションを実施した。
【0117】
本実施例におけるシミュレーションは、高圧原料空気の流量を１００とし、流量が２４．１、圧力が１１７ｋＰａＡ、酸素濃度が０．１ｐｐｍ以下とされた製品低圧窒素ガス（ＬＰＧＮ２）と、流量が９．８、圧力が８００ｋＰａＡ以上、酸素濃度が０．１ｐｐｍ以下の製品高圧窒素ガス（ＨＰＧＮ２）と、流量が２．２、酸素濃度が０．１ｐｐｍ以下の製品低圧液化窒素（ＬＰＬＮ２）を回収する条件において、圧力が３１２０ｋＰａＡ、酸素濃度９９．６％以上とされた製品高圧酸素ガス（ＨＰＧＯ２）と、酸素濃度が１．５％以下の製品アルゴンガス（ＧＡＲ）の回収可能な流量を計算する条件とした。また、原料空気バイパスラインＬ２５に流す高圧原料空気の流量は６．１の条件とした。
【0118】
上記実施例のシミュレーションの条件、及びその結果を下記表１に示す。下記表１は、実施例及び後述する比較例のシミュレーション条件及びシミュレーション結果の一覧を示す表である。また、下記表１中、括弧を付与した値は、シミュレーションによる計算値である。
【0119】
【表1】
【0120】
＜比較例＞
比較例においては、図１中に示した原料空気バイパスラインＬ２５を使用しない場合、即ち、原料空気バイパスラインＬ２５における高圧原料空気の流量を０（ゼロ）とした場合について、上記実施例と同じ条件でシミュレーションを実施し、結果を上記表１に示した。
比較例においては、図１中に示した原料空気バイパスラインＬ２５を使用しない場合、即ち、原料空気バイパスラインＬ２５における高圧原料空気の流量を０（ゼロ）とした場合について、上記実施例と同じ条件でシミュレーションを実施し、結果を上記表１に示した。
【0121】
＜実施例及び比較例の評価結果＞
表１のシミュレーション結果に示すように、図１に示したような原料空気バイパスラインＬ２５を備えた空気分離装置１０を用い、原料空気バイパスラインＬ２５に高圧原料空気の一部を流量６．１で流す条件でシミュレーションを実施した実施例においては、膨張タービン２４により駆動されるタービンブロワ２２の出口圧力、即ち、膨張タービン２４の入口圧力が上昇し、膨張タービン２４の膨張比が上昇し、膨張タービン２４の処理量が減少している。これにより、実施例では、低圧塔１８に供給される低圧タービン空気の量が減少し、逆に、高圧窒素凝縮器やアルゴン凝縮器で発生する中圧酸素ガス及び低圧酸素ガスの流量が増加することで、結果的に、製品高圧酸素ガス（ＨＰＧＯ２）の流量を維持しつつ、製品アルゴンガス（ＧＡＲ）の流量が増加することが確認できた。具体的には、実施例においては、製品高圧酸素ガス（ＨＰＧＯ２）の流量が１９．２で維持されるとともに、製品アルゴンガス（ＧＡＲ）の流量が０．６２で得られる結果となった。
表１のシミュレーション結果に示すように、図１に示したような原料空気バイパスラインＬ２５を備えた空気分離装置１０を用い、原料空気バイパスラインＬ２５に高圧原料空気の一部を流量６．１で流す条件でシミュレーションを実施した実施例においては、膨張タービン２４により駆動されるタービンブロワ２２の出口圧力、即ち、膨張タービン２４の入口圧力が上昇し、膨張タービン２４の膨張比が上昇し、膨張タービン２４の処理量が減少している。これにより、実施例では、低圧塔１８に供給される低圧タービン空気の量が減少し、逆に、高圧窒素凝縮器やアルゴン凝縮器で発生する中圧酸素ガス及び低圧酸素ガスの流量が増加することで、結果的に、製品高圧酸素ガス（ＨＰＧＯ２）の流量を維持しつつ、製品アルゴンガス（ＧＡＲ）の流量が増加することが確認できた。具体的には、実施例においては、製品高圧酸素ガス（ＨＰＧＯ２）の流量が１９．２で維持されるとともに、製品アルゴンガス（ＧＡＲ）の流量が０．６２で得られる結果となった。
【0122】
一方、原料空気バイパスラインＬ２５に高圧原料空気を流さない条件でシミュレーションを実施した比較例においては、実施例に比べて、膨張タービン２４により駆動されるタービンブロワ２２の出口圧力、即ち、膨張タービン２４の入口圧力が低下していることから、膨張タービン２４の膨張比も低下して処理量が増加していることが確認できる。これにより、比較例では、実施例に比べて、低圧塔１８に供給される低圧タービン空気の量が３０．０に増加したことから、製品高圧酸素ガス（ＨＰＧＯ２）の流量が１９．２に維持される一方、製品アルゴンガス（ＧＡＲ）の流量が０．５０に減少する結果となった。
【0123】
以上説明した実施例の結果より、原料空気バイパス工程を備えた本発明の空気分離方法、及び、原料空気バイパスラインＬ２５を備えた本発明に係る空気分離装置１０が、酸素回収率の維持又は低下を抑制しつつ、アルゴン回収率を改善することが可能であることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【0124】
本発明の空気分離方法及び空気分離装置は、酸素回収率の維持又は低下を抑制しつつ、アルゴン回収率を改善することが可能なものなので、工業的に酸素や窒素を製造する各種の用途において非常に好適である。
【符号の説明】
【0125】
１０…空気分離装置
１１…空気圧縮機
１２…空気予冷器
１３…空気精製器
１４…空気昇圧機
１５…空気昇圧機アフタークーラ
１６…主熱交換器
１７…高圧塔
１８…低圧塔
１９…アルゴン塔
２０…タービン空気蒸化器外筒
２１…過冷器
２２…タービンブロワ
２３…タービンブロワアフタークーラ
２４…膨張タービン
２５…液化酸素ポンプ
２６…アルゴン富化液化酸素ポンプ
Ｈ１…アルゴン凝縮器
Ｈ２…高圧窒素凝縮器
Ｈ３…タービン空気蒸化器
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ４～Ｌ６，Ｌ８～Ｌ１８，Ｌ２０～Ｌ２４，Ｌ３１～Ｌ３５，Ｌ５１，Ｌ５２，Ｌ７１，Ｌ７２，Ｌ１９１，Ｌ１９２…ライン
Ｌ２５…原料空気バイパスライン
Ｖ１～Ｖ８…バルブ
Ｖ９…原料空気バイパス弁
１１…空気圧縮機
１２…空気予冷器
１３…空気精製器
１４…空気昇圧機
１５…空気昇圧機アフタークーラ
１６…主熱交換器
１７…高圧塔
１８…低圧塔
１９…アルゴン塔
２０…タービン空気蒸化器外筒
２１…過冷器
２２…タービンブロワ
２３…タービンブロワアフタークーラ
２４…膨張タービン
２５…液化酸素ポンプ
２６…アルゴン富化液化酸素ポンプ
Ｈ１…アルゴン凝縮器
Ｈ２…高圧窒素凝縮器
Ｈ３…タービン空気蒸化器
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ４～Ｌ６，Ｌ８～Ｌ１８，Ｌ２０～Ｌ２４，Ｌ３１～Ｌ３５，Ｌ５１，Ｌ５２，Ｌ７１，Ｌ７２，Ｌ１９１，Ｌ１９２…ライン
Ｌ２５…原料空気バイパスライン
Ｖ１～Ｖ８…バルブ
Ｖ９…原料空気バイパス弁
【図1】