特許 7519559 空気分離装置、ならびに、液化酸素および液化窒素の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-10

(45)【発行日】2024-07-19

(54)【発明の名称】空気分離装置、ならびに、液化酸素および液化窒素の製造方法

(51)【国際特許分類】

   F25J 3/04 20060101AFI20240711BHJP

【ＦＩ】

F25J3/04 101

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2024020626

(22)【出願日】2024-02-14

【審査請求日】2024-02-16

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000158312

【氏名又は名称】岩谷産業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100136098

【弁理士】

【氏名又は名称】北野 修平

(74)【代理人】

【識別番号】100137246

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 勝也

(72)【発明者】

【氏名】中島 康広

【審査官】中村 泰三

(56)【参考文献】

【文献】特開平１０－２７４４７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－３１８０６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－２４１６４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－０１０２１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－１７３７５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－２７３０３５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０１Ｂ ３／００

Ｃ０１Ｂ ２１／０４

Ｃ１０Ｌ ３／００

Ｆ１７Ｃ ７／００－０４

Ｆ２５Ｊ ３／００－０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

原料空気を圧縮する第１圧縮機と、
前記第１圧縮機において圧縮された原料空気を冷却する第１熱交換器と、
前記第１熱交換器を通った冷却原料空気が冷却原料空気導入配管を通じて導入される単式精留塔と、
前記冷却原料空気から分離され、前記単式精留塔から取り出された窒素ガスを液化するための窒素液化部と、
前記窒素液化部で液化された窒素を貯留する液化窒素貯槽と、
を備え、
前記第１熱交換器には、
液化水素が流通する第１冷熱供給配管と、
前記第１圧縮機において圧縮された圧縮原料空気が流通する原料空気配管と、
が配設され、
前記窒素液化部は、
前記単式精留塔の頂部から取り出される窒素ガスを圧縮する第２圧縮機と、
前記第２圧縮機で圧縮された窒素ガスを冷却する第２熱交換器と、
を含み、
前記第２熱交換器には、
前記第２圧縮機において圧縮された圧縮窒素ガスが流通する窒素ガス配管と、
液化水素が流通する第２冷熱供給配管と、
が配設され、
前記液化窒素貯槽と前記単式精留塔とに接続し、前記液化窒素貯槽から取り出される液化窒素を前記単式精留塔に窒素還流液として供給するための窒素還流配管を備え、
前記第１冷熱供給配管および前記第２冷熱供給配管は、液化水素供給配管からそれぞれ分岐して構成された配管であり、
前記第１冷熱供給配管および前記第２冷熱供給配管のそれぞれが水素ガス回収配管に接続する、
空気分離装置。

【請求項2】

前記第１冷熱供給配管は、前記第１熱交換器の温端と前記水素ガス回収配管との間に第１流量調整弁を備え、
前記第２冷熱供給配管は、前記第２熱交換器の温端と前記水素ガス回収配管との間に第２流量調整弁を備える、
請求項１に記載の空気分離装置。

【請求項3】

前記窒素還流配管に、前記液化窒素貯槽から取り出された液化窒素を送り出すポンプが備えられる、
請求項１または請求項２に記載の空気分離装置。

【請求項4】

前記単式精留塔において、
前記単式精留塔における前記窒素還流配管の接続部よりも下部、かつ、前記単式精留塔における前記冷却原料空気導入配管の接続部よりも上部に、再生用空気を取り出すための再生用空気取り出し配管が接続している、
請求項１または請求項２に記載の空気分離装置。

【請求項5】

請求項１に記載の空気分離装置において、
前記原料空気を前記第１圧縮機において５０ｋＰａＧ～７０ｋＰａＧに昇圧する工程と、
前記第１熱交換器において冷却された、－１８３℃～－１８８℃、３０ｋＰａＧ～５０ｋＰａＧである冷却原料空気を前記単式精留塔に導入する工程と、
前記単式精留塔において前記冷却原料空気から分離された窒素ガスを前記単式精留塔の頂部から取り出し、前記窒素液化部において窒素ガスを液化する窒素ガス液化工程と、
前記単式精留塔において前記冷却原料空気から分離された液化酸素を、前記単式精留塔の下部から取り出す液化酸素取り出し工程と、
を含む、
液化酸素および液化窒素の製造方法。

【請求項6】

前記窒素液化部は、
前記単式精留塔の頂部から取り出される窒素ガスを圧縮する第２圧縮機と、
前記第２圧縮機で圧縮された窒素ガスを冷却する第２熱交換器と、
を含み、
前記第２熱交換器には、
前記第２圧縮機において圧縮された圧縮窒素ガスが流通する窒素ガス配管と、
液化水素が流通する第２冷熱供給配管と、
が配設され、
前記窒素ガス液化工程は、前記第２熱交換器において、前記圧縮窒素ガスを液化水素の冷熱で冷却するステップを含む、
請求項５に記載の液化酸素および液化窒素の製造方法。

【請求項7】

前記空気分離装置は、前記液化窒素貯槽と前記単式精留塔とに接続し、前記液化窒素貯槽から取り出される液化窒素を前記単式精留塔に窒素還流液として供給するための窒素還流配管を備え、
前記製造方法は、前記液化窒素貯槽から取り出される液化窒素を前記単式精留塔に窒素還流液として供給する窒素還流液供給工程を含む、
請求項５または請求項６に記載の液化酸素および液化窒素の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、空気分離装置、ならびに、液化酸素および液化窒素の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

空気に含まれる成分を分離精製するための空気分離装置が知られている。この種の技術として、例えば特許文献１には、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る、低純度酸素の製造装置が開示されている。特許文献１に開示された製造装置は、原料空気を圧縮する原料空気圧縮機と、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膨張タービンと、を含む。特許文献１の空気分離装置における主熱交換器では、膨張させた低圧原料空気およ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供給源である液化水素と、が熱交換される。

【0003】

特許文献２には、液化水素を外部寒冷源として用いる空気分離装置が開示されている。特許文献２の空気分離装置は、複式精留塔を含む。複式精留塔の高圧精留塔から取り出された還流窒素は、液化水素を外部寒冷源とする熱交換器に通されることによって液化される。この熱交換器は、還流窒素が通される高温流路と液体水素が通される低温流路との間に、液化水素が蒸発して生じた水素ガスが通される中間温度流路が設けられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許平１０－２７４４７４号公報

【文献】特開平１１－５１５５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

空気分離装置は原料空気圧縮機や窒素循環圧縮機など複数の圧縮機を備え、これらの圧縮機を動かすために多量の電力を要する。電力コストは空気分離装置にかかるコストの多くを占めるため、電力消費の少ない空気分離装置が望まれる。この現状に鑑み、本開示の目的の一つは、液体窒素および液体酸素を製品として取り出す空気分離装置であって、電力消費の少ない空気分離装置を提供することである。また、本開示の目的の一つは、少ない電力消費で実施できる液化酸素および液化窒素の製造方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示に従う空気分離装置は、原料空気を圧縮する第１圧縮機と、前記第１圧縮機において圧縮された原料空気を冷却する第１熱交換器と、前記第１熱交換器を通った冷却原料空気が冷却原料空気導入配管を通じて導入される単式精留塔と、前記冷却原料空気から分離され、前記単式精留塔から取り出された窒素ガスを液化するための窒素液化部と、前記窒素液化部で液化された窒素を貯留する液化窒素貯槽と、を備える。前記第１熱交換器には、液化水素が流通する第１冷熱供給配管と、前記第１圧縮機において圧縮された圧縮原料空気が流通する原料空気配管と、が配設される。前記窒素液化部は、前記単式精留塔の頂部から取り出される窒素ガスを圧縮する第２圧縮機と、前記第２圧縮機で圧縮された窒素ガスを冷却する第２熱交換器と、を含む。前記第２熱交換器には、前記第２圧縮機において圧縮された圧縮窒素ガスが流通する窒素ガス配管と、液化水素が流通する第２冷熱供給配管と、が配設される。前記空気分離装置は、前記液化窒素貯槽と前記単式精留塔とに接続し、前記液化窒素貯槽から取り出される液化窒素を前記単式精留塔に窒素還流液として供給するための窒素還流配管を備える。

【0007】

本開示に従う液化酸素および液化窒素の製造方法は、原料空気を圧縮する第１圧縮機と、前記第１圧縮機において圧縮された圧縮原料空気が流通する原料空気配管と、液化水素が流通する第１冷熱供給配管とを含み、前記原料空気配管を流通する前記圧縮原料空気を、前記第１冷熱供給配管を流通する液化水素の冷熱によって冷却する第１熱交換器と、前記第１熱交換器を通った冷却原料空気が冷却原料空気導入配管を通じて導入される単式精留塔と、前記冷却原料空気から分離され、前記単式精留塔から取り出された窒素ガスを液化するための窒素液化部と、前記窒素液化部で液化された窒素を貯留する液化窒素貯槽と、を備える空気分離装置において、実行される。液化酸素および液化窒素の製造方法は、前記原料空気を前記第１圧縮機において５０ｋＰａＧ～７０ｋＰａＧに昇圧する工程と、前記第１熱交換器において冷却された、－１８３℃～－１８８℃、３０ｋＰａＧ～５０ｋＰａＧである冷却原料空気を前記単式精留塔に導入する工程と、前記単式精留塔において前記冷却原料空気から分離された窒素ガスを前記単式精留塔の頂部から取り出し、前記窒素液化部において窒素ガスを液化する窒素ガス液化工程と、前記単式精留塔において前記冷却原料空気から分離された液化酸素を、前記単式精留塔の下部から取り出す液化酸素取り出し工程と、を含む。

【発明の効果】

【0008】

液体窒素および液体酸素を製品として取り出す空気分離装置であって、電力消費の少ない空気分離装置が提供される。また、少ない電力消費で実施できる液化酸素および液化窒素の製造方法が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、本開示にかかる実施の形態である空気分離装置の配管系統を示す模式図である。

【図2】図２は、本開示にかかる実施の形態である液化酸素および液化窒素の製造方法の概要を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

［実施の形態の概要］
初めに本開示にかかる空気分離装置、ならびに、液化酸素および液化窒素の製造方法の概要を列挙して説明する。本開示に従う空気分離装置は、原料空気を圧縮する第１圧縮機と、前記第１圧縮機において圧縮された原料空気を冷却する第１熱交換器と、前記第１熱交換器を通った冷却原料空気が冷却原料空気導入配管を通じて導入される単式精留塔と、前記冷却原料空気から分離され、前記単式精留塔から取り出された窒素ガスを液化するための窒素液化部と、前記窒素液化部で液化された窒素を貯留する液化窒素貯槽と、を備える。前記第１熱交換器には、液化水素が流通する第１冷熱供給配管と、前記第１圧縮機において圧縮された圧縮原料空気が流通する原料空気配管と、が配設される。前記窒素液化部は、前記単式精留塔の頂部から取り出される窒素ガスを圧縮する第２圧縮機と、前記第２圧縮機で圧縮された窒素ガスを冷却する第２熱交換器と、を含む。前記第２熱交換器には、前記第２圧縮機において圧縮された圧縮窒素ガスが流通する窒素ガス配管と、液化水素が流通する第２冷熱供給配管と、が配設される。前記空気分離装置は、前記液化窒素貯槽と前記単式精留塔とに接続し、前記液化窒素貯槽から取り出される液化窒素を前記単式精留塔に窒素還流液として供給するための窒素還流配管を備える。

【0011】

空気分離装置における冷熱源として、液化水素の冷熱を利用するものが知られている。例えば特許文献１の空気分離装置は、液化水素の蒸発昇温経路を備える。特許文献１の空気分離装置では、液化水素の冷熱は、まず窒素ガス凝縮装置において、蒸留塔の頂部から抜き出した窒素ガスの一部を冷却するために利用される。窒素ガス凝集装置を通過して昇温し、気体となった水素ガスの冷熱は、さらに過冷却装置および主熱交換器において、蒸留塔の頂部から抜き出した窒素ガスの一部を冷却するために利用される。冷却された窒素ガスは液化窒素となり、窒素還流液として蒸留塔に還流される。また、主熱交換器では、窒素ガス凝集経路および過冷却装置を経てやや昇温した水素ガスを利用して、原料空気が冷却される。特許文献２の空気分離装置では、液化水素の冷熱は、蒸留塔から取り出された還流窒素を液化するために使用される。

【0012】

発明者は、空気分離装置において液化水素の冷熱を利用し、消費電力の低減を図るための検討を行った。発明者は、液化水素の冷熱を窒素液化プロセスにおいて利用することに加えて、液化水素の冷熱を主熱交換器における原料空気の冷却に利用する構成に到達した。また、製品として液化窒素貯槽に貯蔵される液化窒素の一部を精留塔に還流する窒素還流液として利用する構成に到達した。そして、これらの構成によれば、低圧（例えば１００ｋＰａＧ以下）の原料空気を精留塔に導入して、酸素および窒素の分離を行うことが可能であることを見出した。これらの構成によって、本開示にかかる空気分離装置は、原料空気の圧縮にかかる消費電力を低減できる。

【0013】

前記空気分離装置は、液化水素供給配管と、水素ガス回収配管と、を備えてもよい。前記第１冷熱供給配管および前記第２冷熱供給配管は、いずれも、前記液化水素供給配管および前記水素ガス回収配管に接続してよい。前記第１冷熱供給配管は、前記第１熱交換器の温端と前記水素ガス回収配管との間に第１流量調整弁を備えてよい。前記第２冷熱供給配管は、前記第２熱交換器の温端と前記水素ガス回収配管との間に第２流量調整弁を備えてよい。

【0014】

上記の構成によれば、液化水素供給配管を介して液化水素が第１冷熱供給配管および第２冷熱供給配管にそれぞれ供給される。また、第１熱交換器および第２熱交換器において冷熱の一部が放出され、昇温して気体となった水素ガスは水素ガス回収配管を介して、供給先（客先）へ供給される。この構成によれば、液化温度（－２５３℃（大気圧下））の液化水素の冷熱を最大限活用した上で、蒸発後の水素ガスを供給先（客先）へ供給することが可能となる。

【0015】

前記空気分離装置は、前記窒素還流配管に、前記液化窒素貯槽から取り出された液化窒素を送り出すポンプが備えられてもよい。この構成によれば、液化窒素貯槽と精留塔との間に圧力差がある場合、液化窒素を適切に昇圧して、精留塔に窒素還流液として供給できる。

【0016】

前記空気分離装置は、前記単式精留塔において、前記単式精留塔における前記窒素還流配管の接続部よりも下部、かつ、前記単式精留塔における前記冷却原料空気導入配管の接続部よりも上部に、再生用空気を取り出すための再生用空気取り出し配管が接続していてもよい。この構成によれば、純度の高い窒素ガス（製品である液化窒素）および液化酸素（製品である液化酸素）の損失を減らしつつ、原料空気の乾燥装置を再生させるための気体を取り出すことができる。

【0017】

本開示に従う液化酸素および液化窒素の製造方法は、原料空気を圧縮する第１圧縮機と、前記第１圧縮機において圧縮された圧縮原料空気が流通する原料空気配管と、液化水素が流通する第１冷熱供給配管とを含み、前記原料空気配管を流通する前記圧縮原料空気を、前記第１冷熱供給配管を流通する液化水素の冷熱によって冷却する第１熱交換器と、前記第１熱交換器を通った冷却原料空気が冷却原料空気導入配管を通じて導入される単式精留塔と、前記冷却原料空気から分離され、前記単式精留塔から取り出された窒素ガスを液化するための窒素液化部と、前記窒素液化部で液化された窒素を貯留する液化窒素貯槽と、を備える空気分離装置において、実行される。液化酸素および液化窒素の製造方法は、前記原料空気を前記第１圧縮機において５０ｋＰａＧ～７０ｋＰａＧに昇圧する工程と、前記第１熱交換器において冷却された、－１８３℃～－１８８℃、３０ｋＰａＧ～５０ｋＰａＧである冷却原料空気を前記単式精留塔に導入する工程と、前記単式精留塔において前記冷却原料空気から分離された窒素ガスを前記単式精留塔の頂部から取り出し、前記窒素液化部において窒素ガスを液化する窒素ガス液化工程と、前記単式精留塔において前記冷却原料空気から分離された液化酸素を、前記単式精留塔の下部から取り出す液化酸素取り出し工程と、を含む。

【0018】

この製造方法によれば、低圧力（５０ｋＰａＧ～７０ｋＰａＧ）の原料空気を液化水素の冷熱によって冷却し、単式精留塔に導入することで、液化酸素と液化窒素を製造できる。このため、原料空気の圧縮にかかる消費電力を低減できる。

【0019】

前記液化酸素および液化窒素の製造方法において、前記窒素液化部は、前記単式精留塔の頂部から取り出される窒素ガスを圧縮する第２圧縮機と、前記第２圧縮機で圧縮された窒素ガスを冷却する第２熱交換器と、を含んでよい。前記第２熱交換器には、前記第２圧縮機において圧縮された圧縮窒素ガスが流通する窒素ガス配管と、液化水素が流通する第２冷熱供給配管と、が配設されてよい。前記窒素ガス液化工程は、前記第２熱交換器において、前記圧縮窒素ガスを液化水素の冷熱で冷却するステップを含んでよい。液化水素の冷熱を窒素ガスの液化に利用することによって、消費電力を低減する効果がより高くなる。

【0020】

前記液化酸素および液化窒素の製造方法において、前記空気分離装置は、前記液化窒素貯槽と前記単式精留塔とに接続し、前記液化窒素貯槽から取り出される液化窒素を前記単式精留塔に窒素還流液として供給するための窒素還流配管を備えてよい。前記製造方法は、前記液化窒素貯槽から取り出される液化窒素を前記単式精留塔に窒素還流液として供給する窒素還流液供給工程を含んでよい。

【0021】

液化窒素貯槽から取り出される液化窒素を窒素還流液として利用することによって、精留塔から取り出した窒素ガスを冷却した液化窒素をただちに還流させる方式よりも、窒素還流液を安定に単式精留塔に供給できる。

【0022】

［実施の形態の具体例］
次に、本開示にかかる空気分離装置の具体的な実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。なお、本明細書では、明細書において説明される空気分離方法の中で配管を通る流体の方向に基づいて配管の「上流側」、「下流側」と称するが、実際の運用において、流体の流通方向はこれに制限されない。

【0023】

［空気分離装置］
図１は、本開示にかかる実施の１形態である空気分離装置の配管系統を示す系統図である。空気分離装置１は、原料空気の取得部Ｓから原料空気を装置内に導入する。空気分離装置１は、第１圧縮機としての原料空気の圧縮機１１と、第１熱交換器としての主熱交換器２１と、単式精留塔である蒸留塔３１と、窒素液化部４０と、液化窒素貯槽５１と、を備える。また、空気分離装置１は、液化水素の冷熱を供給および回収する、水素配管系統８０を備える。

【0024】

原料空気の圧縮機１１で圧縮された原料空気は、配管１２を通り、乾燥器１３Ａを経て主熱交換器２１に導入される。配管１２は、圧縮機１１と主熱交換器２１とを接続する配管である。圧縮機１１は具体的には例えばブロワであってよい。圧縮機１１は、容積式やターボ式の圧縮機でなくてもよいが、容積式やターボ式の圧縮機であってもよい。配管１２は配管１４に接続する。配管１４は主熱交換器２１を通る原料空気用配管である。配管１４を通って主熱交換器２１で冷却された原料空気は、冷却原料空気導入配管としての配管１５を通じて、蒸留塔３１に導入される。配管１５は、配管１４と接続し、主熱交換器２１と蒸留塔３１との間に配置される配管である。

【0025】

乾燥器１３Ａは、同種の乾燥器１３Ｂと並列に設けられてよい。乾燥器１３Ａ、１３Ｂは具体的には例えば、モレキュラーシーブを収容するカラムタイプの吸脱着器であってよい。乾燥器１３Ａ、１３Ｂは、一方を原料空気の乾燥に供し、同時に他方を再生させることができる。

【0026】

主熱交換器２１には、液化水素の供給元（例えば液化水素タンク）から、液化水素供給配管である配管８８を通じて供給される液化水素が流通する、第１冷熱供給配管としての配管８１が配設される。液化水素供給配管８８の途上には、ポンプ８７が設けられる。配管１４を流通する原料空気は、主熱交換器２１において、配管８１を流通する液化水素と熱交換し、液化水素の冷熱によって冷却される。

【0027】

蒸留塔３１は単式精留塔であり、鉛直方向の中央付近に原料空気導入口３５を有する。言い換えると、配管１５は蒸留塔３１の中央付近に接続する。中央付近とは、例えば、蒸留塔３１を鉛直方向に３つの領域に分けるとき、上部領域および下部領域に挟まれる領域である。蒸留塔３１は、鉛直方向の下端または下端近傍に、液化酸素取り出し口を有する。原料空気から分離された液化酸素ＬＯ_２は、配管３２を通じて蒸留塔３１から取り出され、液化酸素貯槽に貯蔵される。配管３２にはポンプ３３が備えられる。

【0028】

蒸留塔３１は頂部に窒素ガス取り出し口３６を有する。窒素ガス取り出し配管である配管３７が蒸留塔３１の頂部に接続する。配管３７は、主熱交換器２１を通って圧縮機４１に至る。配管３７を通る窒素ガスは、窒素液化部４０において冷却および圧縮され、液化される。窒素液化部４０は、第２圧縮機としての複数の圧縮機４１，４２，４３、および、第２熱交換器としての熱交換器４４とを含む。

【0029】

熱交換器４４には、液化水素を供給する配管８２が配設される。配管８２は、液化水素供給配管８８に接続している。熱交換器４４において、液化水素の冷熱が配管４５を流通する窒素ガスに供給され、窒素ガスが冷却される。すなわち、熱交換器４４では液化水素と窒素ガスの間で熱交換が行われる。

【0030】

本開示にかかる空気分離装置１では、液化水素供給配管８８が、主熱交換器２１を通る配管８１と熱交換器４４を通る配管８２とに接続する。また、配管８１および配管８２は、水素ガス回収配管としての配管８３に接続する。熱交換器２１、４４において冷熱を放出し、昇温された水素は水素ガスとなって配管８３から取り出される。配管８１には流量調整弁８４が設けられる。配管８２には流量調整弁８５が設けられる。流量調整弁８４、８５によって、熱交換器２１、４４を通過した水素ガスが適切な温度および圧力に調整される。

【0031】

窒素液化部４０について説明する。窒素液化部４０は、配管３７に接続する配管４５を含む。配管４５の途上に、圧縮機４２，４３が備えられ、配管４５を流通する窒素ガスを順次昇圧する。配管４５における熱交換器４４よりも下流側から、配管４６が分岐する。配管４６は、弁６１を備える。配管４６は熱交換器４４を通過し、圧縮機４２および圧縮機４３の間で配管４５に接続する。すなわち、配管４５を流通する窒素ガスの一部が、配管４６を通じて循環する。なお、空気分離装置１は３段階の圧縮機４１，４２，４３を備えるが、圧縮機の数は圧縮機の性能と装置全体の規模に応じて変更できる。

【0032】

配管４５は気液分離槽４７に接続する。配管４５にはジュールトムソン弁である弁６２が備えられる。蒸留塔３１から取り出され、主熱交換器２１、圧縮機４１，４２，４３、熱交換器４４および弁６２を経て気液分離槽４７に至る窒素ガスは、液化された状態で気液分離槽４７にて気体/液体に分離される。気液分離槽４７の頂部に配管４８が接続する。配管４８を通じて、気液分離槽４７の気相部を満たす窒素ガスが排出される。配管４８は、熱交換器４４を通って、配管４５における圧縮機４２の上流側に接続する。

【0033】

気液分離槽４７は、配管４９によって液化窒素貯槽５１に接続されている。配管４９の途上に、流量調整弁６３が備えられる。液化窒素貯槽５１に、製品である液化窒素ＬＮ_２が貯蔵される。

【0034】

液化窒素貯槽５１と蒸留塔３１との間に、配管５３が配設されている。配管５３にはポンプ５２が備えられている。液化窒素貯槽５１から取り出された液化窒素が、配管５３を通って窒素還流液として蒸留塔３１に導入される。

【0035】

蒸留塔３１と乾燥器１３Ａ，１３Ｂとの間に、配管７１が配設されている。配管７１は主熱交換器２１を通る。配管７１は、原料空気導入口３５よりも上方において、蒸留塔３１に接続している。また、配管７１は、窒素還流液の供給口５４よりも下方において、蒸留塔３１に接続している。すなわち、再生用空気を取り出すための再生用空気取り出し配管である配管７１は、窒素還流配管の接続部よりも下部、かつ、冷却原料空気導入配管の接続部よりも上部に接続している。配管７１から取り出される気体は、熱交換器２１において配管１４を通る原料空気と熱交換して昇温され、乾燥器１３Ａ、１３Ｂの再生用気体として使用される。

【0036】

（液化酸素および液化窒素の製造方法）
本開示にかかる液化酸素および液化窒素の製造方法は、上述の空気分離装置を利用して実施されうる。以下に、空気分離装置１を用いて本開示にかかる液化酸素および液化窒素の製造方法を実施する場合の一例を説明する。図２は、本開示にかかる実施の形態である液化酸素および液化窒素の製造方法の概要を示すフローチャートである。

【0037】

図１および図２を参照して、原料空気の取得部Ｓから取り込まれた常温（例えば－５℃～３０℃）の空気は、まず昇圧工程として、圧縮機１１で圧縮される（Ｓ１０）。原料空気は３０ｋＰａＧ～１００ｋＰａＧに昇圧されてよい。典型的には、原料空気は５０ｋＰａＧ～７０ｋＰａＧに昇圧されてよい。原料空気の圧縮度は容積式やターボ式の圧縮機を必ずしも必要とせず、ブロワを用いて得られる圧力である。

【0038】

圧縮機１１を出た原料空気は配管１２および乾燥器１３Ａ（または乾燥器１３Ｂ）を通過し、乾燥器において水分が除去される。原料空気は、配管１２を通って主熱交換器２１に至る。主熱交換器２１において配管１４を通る原料空気は、配管８１を通る液化水素の冷熱と熱交換し、原料空気は約－１９０℃～－１８０℃に冷却される。典型的に、原料空気は約－１８８℃～－１８３℃程度に冷却される。液化水素の温度は－２５３℃（大気圧下）であり、十分な冷熱を原料空気に供給できる。

【0039】

主熱交換器２１にて冷却された原料空気は、配管１５を通って蒸留塔３１に導入される（Ｓ１１）。蒸留塔３１は低圧精留塔であり、蒸留塔内の圧力は１０ｋＰａＧ～１００ｋＰａＧであってよい。従来、空気分離装置においては高圧蒸留塔と低圧蒸留塔から構成される複合蒸留塔が主に使用されている。この点、本開示にかかる空気分離装置では、原料空気の圧縮度が低く、かつ、より低温まで冷却された原料空気を用いて、単式精留塔にて液体窒素と液体酸素を分離できる。

【0040】

蒸留塔３１において、冷却された原料空気から酸素および窒素のそれぞれを分離する。この時、窒素還流液として、液化窒素貯槽５１から取り出された液化窒素が配管５３を通じて蒸留塔３１に導入される。原料空気から分離された酸素は、蒸留塔３１の下部から液化酸素として取り出される（Ｓ１３）。原料空気から分離された窒素は、蒸留塔３１の頂部から窒素ガスとして取り出される。取り出される窒素ガスの温度および圧力は特に限定されないが、例えば、圧力は２５ｋＰａＧ程度、温度は－１９６℃程度であってよい。蒸留塔３１から取り出された窒素ガスは窒素液化部４０において液化される（Ｓ１２）。

【0041】

蒸留塔３１から取り出されて配管３７を通る窒素ガスは、主熱交換器２１に導入される。配管３７を通る窒素ガスは、主熱交換器２１において原料空気を冷やすための冷熱源として使用される。次いで、配管４５を通る窒素ガスは、圧縮機４１，４２，４３で段階的に昇圧される。例えば、圧縮機４１において０．４ＭＰａＧ、圧縮機４２において３．０ＭＰａＧ、圧縮機４３において５．０ＭＰａＧに昇圧することができる。圧縮された窒素ガスは、おおむね常温になる。

【0042】

配管４５を通過する窒素ガスは次いで熱交換器４４にて、配管８２を通過する液化水素の冷熱によって冷却される。熱交換器４４を通過した窒素ガスは、例えば－１５０℃程度まで冷却される。ジュールトムソン弁６２にて圧力調整された窒素ガスは液化し、気液分離槽４７に収容される。気液分離槽４７から配管４９を通じて取り出された液化窒素は、弁６３によって流量調整され、液化窒素貯槽５１に収容される。

【0043】

なお、熱交換器４４を出た窒素ガスの一部は配管４６に流入し、熱交換器４４を経て昇温され、圧縮機４３の下流において配管４５を通過する窒素ガスに合流する。また、気液分離槽４７の気相部から配管４８を通じて取り出される窒素ガスは、熱交換器４４を経て昇温され、圧縮機４１の下流において配管４５を通過する窒素ガスに合流する。つまり、配管４８を通る窒素ガスの冷熱は熱交換器４４で回収利用される。圧縮機４１，４２，４３および液化水素の冷熱を利用する熱交換器４４を備える窒素液化部４０によって、窒素ガスが液化され、製品としての液化窒素が得られる。

【0044】

液化窒素貯槽５１に貯蔵される液化窒素の一部が、配管５３を通じて蒸留塔３１に窒素還流液として供給される。窒素還流液としての液化窒素は、ポンプ５２によって送出される。窒素還流液としての液化窒素は、蒸留塔３１内部の圧力に合わせるよう、例えば３０ＫＰａＧ程度の圧力に調整される。

【0045】

今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと解されるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲により示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0046】

１ 空気分離装置、１１ 圧縮機、１２ 配管、１３Ａ、１３Ｂ 乾燥器、１４、１５、３２、３７、４５、４６、４８、４９、５３、７１ 配管、２１ 主熱交換器、３１ 蒸留塔、３３、５２ ポンプ、３５ 原料空気導入口、３６ 窒素ガス取り出し口、４０ 窒素液化部、４１、４２，４３ 圧縮機、４４ 熱交換器、４７ 気液分離槽、５１ 液化窒素貯槽、５２ ポンプ、５４ 供給口、６１、６２、６３ 弁、
８０ 水素配管系統、８１、８２、８３、８８ 配管、８４，８５ 流量調整弁、８７ ポンプ。

【要約】      （修正有）

【課題】少電力で製品として液体窒素及び液体酸素を製造する空気分離装置及び空気分離方法を提供する。
【解決手段】原料空気の第１圧縮機１１と、圧縮空気を冷却する第１熱交換器２１と、圧縮、冷却後の空気が導入される単式精留塔３１と、空気から分離された窒素ガスの窒素液化部４０と、液化窒素貯槽５１とを、を備える空気分離装置１であり、第１熱交換器には、液化水素が流通する第１冷熱供給配管８０と、圧縮空気が流通する原料空気配管１２と、が配設され、窒素液化部は、精留塔からの窒素ガスの第２圧縮機４１～４３と、第２圧縮機からの圧縮窒素ガスを冷却する第２熱交換器４４と、を含み、第２熱交換器には、第２圧縮機からの圧縮窒素が流通する窒素ガス配管３７と、液化水素が流通する第２冷熱供給配管８２とが配設され、液化窒素貯槽と単式精留塔とに接続し、液化窒素貯槽からの液化窒素を単式精留塔に還流する窒素還流配管５３を備える。
【選択図】図１

【図1】

【図2】