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TWI525298B - Air liquefaction separation method and device - Google Patents

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TWI525298B
TWI525298B TW099124121A TW99124121A TWI525298B TW I525298 B TWI525298 B TW I525298B TW 099124121 A TW099124121 A TW 099124121A TW 99124121 A TW99124121 A TW 99124121A TW I525298 B TWI525298 B TW I525298B
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TW
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air
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intermediate pressure
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TW099124121A
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TW201109602A (en
Inventor
Masami Myobatake
Shigeru Yuzawa
Original Assignee
Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Taiyo Nippon Sanso Corp filed Critical Taiyo Nippon Sanso Corp
Publication of TW201109602A publication Critical patent/TW201109602A/zh
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Description

空氣液化分離方法及裝置
本發明係關於一種空氣液化分離方法及裝置，詳細而言，係關於一種藉由利用中壓塔及低壓塔，將經壓縮、純化、冷卻之原料空氣加以深冷分離，而至少提取液態氧作為產品之空氣液化分離方法及裝置。
工業上製造氧、氮及氬時，通常係藉由以空氣為原料，利用由中壓塔、低壓塔所構成之複式精餾塔(compound rectifying column)進行分離之所謂深冷式空氣液化分離裝置進行製造。於該深冷式空氣液化分離裝置中，可將產品之5%左右製造成液態氧、液態氮、液體氬。但是，當製作更多之液體產品時，則必須追加液化程序。
液化程序係使原料空氣、氮氣等壓縮、循環、絕熱膨脹而獲得程序中所需之寒冷者，關於各個程序，已揭示有多種技術(例如，參照專利文獻1)。
於上述液化程序中，係將循環流體經部分液化之狀態供給至蒸餾塔，提取熱平衡之液體產品。與將低壓及/或中壓之氮氣加以壓縮而形成循環流體之氮循環液化程序相比，將高壓之原料空氣之一部分加以壓縮，而形成循環流體的空氣循環液化程序中，壓縮循環流體所需之動力消耗較少，故為基本上具有優勢之程序。
然而，當產品液量，特別是液態氮較多時，若為空氣循環液化程序，則供給至中壓塔之原料空氣之液化率會上升，故中壓塔之蒸餾條件會降低，從而變得難以應對。另一方面，氮循環液化程序係將與液體產品相當之液態氮供給至中壓塔之程序，即使於產品液量較多時，中壓塔之蒸餾條件亦不會下降。亦即，於產品液量較少時，動力消耗更少之空氣循環液化程序具有優勢，而於產品液量較多時，則只有氮循環液化程序可加以應對。
又，已知有將空氣循環程序用於單精餾塔程序之程序(例如，參照專利文獻2、3、4)。該等程序均係使與單精餾塔之運轉壓力相同程度之原料空氣的一部分循環而升溫至常溫後，導入至原料空氣壓縮機，將其與自外部導入之原料空氣一併壓縮，藉此使程序循環。該等在所循環之原料空氣中不含水蒸氣或二氧化碳，但循環空氣亦成為使前處理裝置循環之程序，因此存在前處理吸附裝置被過度大型化之浪費。
此外，亦知有將空氣循環液化程序用於複式精餾塔程序之程序(例如，參照專利文獻5、6)。例如，原料空氣經壓縮機升壓至460 kPa(錶壓，以下記作kPaG)加以純化後，與經膨脹渦輪處理之循環空氣之一部分一併導入至循環空氣壓縮機，升壓至必須之壓力。該等循環空氣經熱交換器冷卻至既定溫度後，被導入至膨脹渦輪，產生裝置所需之寒冷。經膨脹渦輪處理之循環空氣之一部分被導入至中壓塔，剩餘部分則與原料空氣一併被導入至循環壓縮機。於該程序中，中壓塔之運轉壓力約為480 kPaG，成為與膨脹渦輪噴出壓力、前處理裝置運轉壓力相同之程度。
又，亦知有一種提取氧氣產品之空氣液化分離裝置，能夠變更所提取之液態氧量比之程序(例如，參照專利文獻7、8)，例如，使來自中壓塔之流體導入前處理設備之後流而與原料空氣一併升壓。又，亦知有利用壓縮機，將來自中壓塔之流體與原料空氣一併壓縮至高於中壓塔之運轉壓力的程序(例如，參照專利文獻9)。但是，於該程序中，亦在冷卻裝置、前處理吸附裝置中對循環流體進行處理，因此該等裝置中需要許多處理能力。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利第3213846號公報
[專利文獻2]日本專利特公昭56-034787號公報
[專利文獻3]日本專利特公昭60-044584號公報
[專利文獻4]日本專利實開昭54-095552號公報
[專利文獻5]日本專利特開平06-159929號公報
[專利文獻6]日本專利特開平06-159930號公報
[專利文獻7]日本專利特開平10-054657號公報
[專利文獻8]日本專利特開平10-054658號公報
[專利文獻9]日本專利特開平06-300435號公報
如上所述，作為液化程序已提出有多種提案，空氣循環液化程序係以改善程序上之效率為主要目的，但就改善裝置價格方面而言尚不充分。
因此，本發明之目的在於提供一種可使至少提取液態氧作為產品之空氣循環液化程序中的裝置價格降低之空氣液化分離方法及裝置。
為達成上述目的，本發明之第1構成係一種空氣液化分離方法，其係藉由利用中壓塔及低壓塔，對經壓縮、純化、冷卻之原料空氣進行低溫蒸餾而至少提取液態氧作為產品者，並包含以下步驟：原料空氣壓縮步驟，將原料空氣之總量升壓至高於上述中壓塔之運轉壓力之第1設定壓力，而形成升壓原料空氣；吸附純化步驟，自該升壓原料空氣吸附去除雜質，而形成升壓純化空氣；循環空氣合流步驟，使該升壓純化空氣與後述之升壓回流空氣合流而形成循環空氣；冷卻步驟，使將該循環空氣一分為二之第1分流空氣，冷卻至第1設定溫度而形成中壓塔導入空氣，使第2分流空氣冷卻至高於上述第1設定溫度之第2設定溫度，而形成膨脹用空氣；膨脹步驟，藉由使該膨脹用空氣絕熱膨脹至低於上述第1設定壓力之第2設定壓力，而形成低溫空氣；導入步驟，將該低溫空氣之一部分導入至上述中壓塔；升溫步驟，使該低溫空氣之剩餘部分恢復溫度而形成回流空氣；循環壓縮步驟，使該回流空氣升壓而形成上述升壓回流空氣；以及另一導入步驟，將上述中壓塔導入空氣導入上述中壓塔。
又，本發明之第2構成係一種空氣液化分離方法，其係藉由利用中壓塔及低壓塔，對經壓縮、純化、冷卻之原料空氣進行低溫蒸餾而至少提取液態氧作為產品者，並包含以下步驟：原料空氣壓縮步驟，將原料空氣之總量升壓至高於上述中壓塔之運轉壓力之第1設定壓力，而形成升壓原料空氣；吸附純化步驟，自該升壓原料空氣吸附去除雜質，而形成升壓純化空氣；循環空氣合流步驟，使該升壓純化空氣與後述之升壓回流空氣合流，而形成循環空氣；冷卻步驟，使將該循環空氣一分為三之第1分流空氣冷卻至第1設定溫度，而形成中壓塔導入空氣，使第2分流空氣冷卻至高於上述第1設定溫度之第2設定溫度，而形成冷膨脹用空氣，進而使第3分流空氣冷卻至高於上述第2設定溫度之第3設定溫度，而形成熱膨脹用空氣；第1膨脹步驟，藉由使上述冷膨脹用空氣絕熱膨脹至低於上述第1設定壓力之第2設定壓力，而形成第1低溫空氣；第2膨脹步驟，藉由使上述熱膨脹用空氣絕熱膨脹至上述第2設定壓力，而形成高於上述第1設定溫度之第2低溫空氣；導入步驟，將該第1低溫空氣之一部分導入上述中壓塔；升溫步驟，使該第1低溫空氣之剩餘部分與上述第2低溫空氣恢復溫度而形成回流空氣；循環壓縮步驟，使該回流空氣升壓而形成上述升壓回流空氣；以及另一導入步驟，將上述中壓塔導入空氣導入上述中壓塔。
此外，於上述第1構成或第2構成中，包含將上述循環空氣升壓至高於上述第1設定壓力的循環空氣升壓步驟。
又，本發明之第3構成係一種空氣液化分離裝置，其係藉由利用中壓塔及低壓塔，對經壓縮、純化、冷卻之原料空氣進行低溫蒸餾，而至少提取液態氧作為產品者，且該裝置包含：原料空氣壓縮機，其將原料空氣之總量升壓至高於上述中壓塔之運轉壓力之第1設定壓力，而形成升壓原料空氣；吸附裝置，其自該升壓原料空氣吸附去除雜質，而形成升壓純化空氣；循環空氣合流管道，其使該升壓純化空氣與後述之升壓回流空氣合流，而形成循環空氣；主熱交換器，其使將該循環空氣一分為二之第1分流空氣，冷卻至第1設定溫度而形成中壓塔導入空氣，使第2分流空氣冷卻至高於上述第1設定溫度之第2設定溫度，而形成膨脹用空氣；膨脹渦輪，其使該膨脹用空氣絕熱膨脹至低於上述第1設定壓力之第2設定壓力，而形成低溫空氣；配管，其將該低溫空氣之一部分導入至上述中壓塔；循環壓縮機，其使利用上述主熱交換器使該低溫空氣之剩餘部分恢復溫度而成之回流空氣升壓，而形成上述升壓回流空氣；以及另一配管，其將上述中壓塔導入空氣導入至上述中壓塔。
此外，本發明之第4構成係一種空氣液化分離裝置，其係藉由利用中壓塔及低壓塔，對經壓縮、純化、冷卻之原料空氣進行低溫蒸餾而至少提取液態氧作為產品者，且該分離裝置包含：原料空氣壓縮機，其將原料空氣之總量升壓至高於上述中壓塔之運轉壓力之第1設定壓力，而形成升壓原料空氣；吸附裝置，其自該升壓原料空氣吸附去除雜質，而形成升壓純化空氣；循環空氣合流管道，其使該升壓純化空氣與後述之升壓回流空氣合流，而形成循環空氣；主熱交換器，其使將該循環空氣一分為三之第1分流空氣，冷卻至第1設定溫度而形成中壓塔導入空氣，使第2分流空氣冷卻至高於上述第1設定溫度之第2設定溫度，而形成冷膨脹用空氣，進而使第3分流空氣冷卻至高於上述第2設定溫度之第3設定溫度，而形成熱膨脹用空氣；冷膨脹渦輪，其使上述冷膨脹用空氣絕熱膨脹至低於上述第1設定壓力之第2設定壓力，而形成第1低溫空氣；熱膨脹渦輪，其使上述熱膨脹用空氣絕熱膨脹至上述第2設定壓力，而形成第2低溫空氣；配管，其將上述第1低溫空氣之一部分導入至上述中壓塔；循環壓縮機，其使利用上述主熱交換器，使該第1低溫空氣之剩餘部分與上述第2低溫空氣，恢復溫度而成之回流空氣升壓，而形成上述升壓回流空氣；以及另一配管，其將上述中壓塔導入空氣導入至上述中壓塔。
另外，於上述第3構成或第4構成中，包含使上述循環空氣升壓至高於上述第1設定壓力之循環空氣壓縮機，上述循環空氣升壓機係設置於上述膨脹渦輪之膨脹渦輪制動鼓風機(blower)，且利用鼓風機、發電機、油壓泵中之任一者進行上述膨脹渦輪之制動。
根據本發明，將先前升壓至與中壓塔之運轉壓力相對應之壓力的原料空氣之總量，升壓至高於中壓塔之運轉壓力之第1設定壓力，例如，中壓塔之運轉壓力的至少1.5倍左右之壓力，並於此狀態下，吸附去除原料空氣中所含之水蒸氣、二氧化碳等雜質，故與習知之一般的空氣液化分離裝置相比，可使吸附裝置及其周邊之配管小型化。又，原料空氣中所含之水蒸氣之分壓相對降低，因此可降低用以吸附去除水分之吸附劑必要量，並且亦可降低吸附劑之再生所需之能量。因此，能夠以與習知相同程度之動力消耗降低裝置價格等。
圖1之第1形態例所示之空氣液化分離裝置，係藉由利用中壓塔11及低壓塔12，對經壓縮、純化、冷卻之原料空氣進行低溫蒸餾，而提取液態氧LO2、液態粗氬LAr及液態氮LN2作為液體產品，並且提取氧氣GO2及氮氣GN2作為氣體產品者，且包含原料空氣壓縮機13、吸附裝置14、循環壓縮機15、主熱交換器16、膨脹渦輪17、主冷凝器18、粗氬塔19、氬冷凝器20、過冷器21作為主要構成機器。
首先，將原料空氣之總量導入至利用原料空氣壓縮機13升壓至高於中壓塔11之運轉壓力之第1設定壓力，而形成升壓原料空氣的原料空氣壓縮步驟。升壓原料空氣係於藉由冷卻器13a加以冷卻，且藉由除水器(drain separator)13b分離冷凝水之後，導入至用以進行吸附純化步驟之吸附裝置14。於吸附裝置14中，使原料空氣中所含之水蒸氣或二氧化碳等雜質，吸附於吸附劑而加以去除，升壓原料空氣經純化而成為升壓純化空氣。該升壓純化空氣經冷卻器14a加以冷卻後，通過用以構成循環空氣合流管道51之一個配管51a，與自循環壓縮機15噴出至另一個合流管道，即，配管51b之升壓回流空氣合流，而進行循環空氣合流步驟，從而成為於配管51c中流動之循環空氣。
配管51c之循環空氣被一分為二成為配管52之第1分流空氣與配管53之第2分流空氣後，導入至用以進行冷卻步驟之主熱交換器16。第1分流空氣經主熱交換器16冷卻至第1設定溫度，並自主熱交換器16之冷端導出至配管54，而成為中壓塔導入空氣。該中壓塔導入空氣，係藉由閥31減壓至與中壓塔11之運轉壓力相對應之壓力，且以大部分經液化之狀態，自配管55導入至中壓塔11之下部。
配管53之第2分流空氣，係藉由利用主熱交換器16所進行之冷卻步驟，冷卻至高於上述第1設定溫度之第2設定溫度，並於抵達至主熱交換器16的冷端之前被抽出至配管56而成為膨脹用空氣，並被導入至膨脹渦輪17。膨脹用空氣，係藉由膨脹渦輪17，進行絕熱膨脹至低於上述第1設定壓力之第2設定壓力之膨脹步驟，而成為配管57之低溫空氣。該低溫空氣自配管57分流至配管58與配管59，分流至配管59之低溫空氣，係經由閥32而作為上升氣體自配管60導入至中壓塔11之下部。
分流至上述配管58之低溫空氣之剩餘部分，導入至主熱交換器16之冷端而進行升溫步驟，並與上述第1分流空氣及第2分流空氣進行熱交換，而使各分流空氣冷卻至既定溫度，並且自身溫度恢復至常溫附近，從而成為配管61之回流空氣。該回流空氣被抽吸至循環壓縮機15而進行循環壓縮步驟，升壓至與上述升壓純化空氣相對應之壓力後，噴出至上述配管51b而與上述配管51a之升壓純化空氣合流，從而成為配管51c之上述循環空氣。
自配管55及配管60導入至中壓塔11之下部的原料空氣，係藉由該中壓塔11中之蒸餾操作，而分離成中壓塔頂部之中壓富氮氣體(nitrogen-rich gas)與中壓塔底部之富氧液(oxygen-rich liquid)。富氧液係自中壓塔底部被抽出至配管62，藉由過冷器21加以冷卻後，分流至配管63及配管64，配管64之富氧液係經閥33而減壓至與低壓塔12之運轉壓力相對應之壓力後，通過配管65作為回流液而導入至低壓塔12之中間部。
又，在配管63中流動之富氧液係經閥34減壓後，被導入至設置於粗氬塔19上部的氬冷凝器20。經氬冷凝器20氣化而成之富氧氣體(oxygen-rich gas)，通過配管66作為上升氣體而導入至低壓塔12之中間部。導入至低壓塔12之富氧液及富氧氣體中之氧分，係藉由低壓塔12中之蒸餾操作濃縮於低壓塔底部而成為低壓液態氧。該低壓液態氧之一部分被抽出至配管67，藉由過冷器21加以冷卻後，作為液態氧產品而自配管68提取出來。
上述中壓塔頂部之中壓富氮氣體，係通過配管69而導入至配置於低壓塔底部之主冷凝器18，與上述低壓液態氧進行間接熱交換，使低壓液態氧氣化而形成低壓氧氣，並且自身經液化而成為液態氮。該液態氮之一部分，係通過配管70作為回流液而返回至中壓塔11之上部，液態氮之剩餘部分，係通過配管71而藉由過冷器21加以冷卻後，一部分分流至配管72而作為液態氮產品提取出來。大部分之液態氮，係藉由閥35減壓至與低壓塔12之運轉壓力相對應之壓力後，通過配管73作為回流液而導入至低壓塔12之上部。
此外，自低壓塔12之中間部，將富含氬之氣體流體(饋入氬)抽出至配管74並導入至粗氬塔19之下部，藉由粗氬塔19中之蒸餾操作，在粗氬塔頂部，使濃縮有氬之粗氬氣體分離，氬濃度下降之液體則於粗氬塔底部分離。該氬濃度下降之液體自粗氬塔底部被抽出至配管75，並作為下降液而返回至低壓塔12之中間部。
粗氬塔頂部之粗氬氣體，係經由配管76而導入至氬冷凝器20，藉由在該氬冷凝器20中與上述富氧液進行熱交換，而液化成為液態粗氬。該液態粗氬之一部分作為液態粗氬產品而自配管77提取出來，剩餘部分之液態粗氬則通過配管78作為回流液而導入至粗氬塔19之上部。
藉由上述低壓塔12中之蒸餾操作而於低壓塔頂部濃縮之低壓氮氣，係被抽出至配管79而導入至過冷器21，用作上述各液體之冷卻源後，經由配管80而導入至主熱交換器16之冷端。又，經上述主冷凝器18氣化之低壓氧氣一部分被抽出至配管81，而導入至主熱交換器16之冷端，剩餘之大部分低壓氧氣則成為低壓塔12之上升氣體。此外，在低壓塔12內上升之氣體之一部分作為廢氣WG，自低壓塔12之中上部抽出至配管82，成為過冷器21之冷卻源後，被導入至主熱交換器16之冷端。
該等低壓氮氣、低壓氧氣及廢氣，係與自主熱交換器16之熱端導入之上述各分流空氣進行熱交換，經溫度恢復而升溫至常溫後，低壓氮氣作為氮氣產品自配管83提取出來，低壓氧氣作為氧氣產品自配管84提取出來，廢氣被抽出至配管85後，作為上述吸附裝置14之再生氣體等使用。
於如上所述而形成之空氣液化分離裝置中，藉由原料空氣壓縮機13將原料空氣加以升壓之升壓原料空氣之第1設定壓力，係設定為高於中壓塔11之運轉壓力之壓力。通常，包含中壓塔11、低壓塔12、主冷凝器18之複式精餾塔中的中壓塔11運轉壓力約為500 kPaG，自配管60導入至中壓塔11之下部的低溫空氣之壓力亦為相同程度，於配管61中流動之回流空氣亦為與中壓塔11之運轉壓力相同程度約500 kPaG，因此，若將使該循環空氣升壓之循環壓縮機15之壓縮比設為1.5～1.8，則成為與循環壓縮機15之噴出壓力相等之升壓原料空氣之壓力，即，第1設定壓力約為750 kPaG(500 kPaG×1.5)～900 kPaG(500 kPaG×1.8)。
因此，於本形態例中，自原料空氣去除雜質之吸附裝置14之運轉壓力與習知通常的空氣液化分離裝置之情況相比為1.5倍左右，因此可使吸附裝置14中之吸附器本體或周邊配管小型化，從而可降低裝置價格。亦即，與習知之吸附裝置相比，可縮小吸附裝置14之吸附筒之筒徑，故吸附筒材料價格將降低，且與原料空氣共存(accompany)之水蒸氣量減少，因此可減少吸附去除水蒸氣所需之氧化鋁凝膠量，故可大幅度降低整個吸附裝置之設備成本。又，原料空氣中所含之水蒸氣量減少，因此無需將原料空氣冷卻至低溫，冷卻設備所需之成本亦得到削減。
於以下所述之本發明之其他形態例之說明中，對於與上述第1形態例所示之空氣液化分離裝置之構成要素相同之構成要素標附相同符號，並省略詳細說明。又，中壓塔、低壓塔之周邊之構成可採用與上述第1形態例相同之構成，故省略該等部分之圖示及說明。
圖2之第2形態例所示之空氣液化分離裝置，係以如下方式而形成：將循環壓縮機15設為具有第1壓縮段15a及第2壓縮段15b之多段壓縮機，使自第1壓縮段15a噴出之升壓回流空氣與升壓純化空氣合流，而形成循環空氣，藉由利用循環壓縮機15之第2壓縮段15b進行循環空氣升壓步驟，而使該循環空氣進一步升壓而形成高壓之循環空氣後，藉由利用膨脹渦輪17之制動鼓風機22進行第2循環空氣升壓步驟，而使該循環空氣進一步升壓至高壓。
亦即，藉由吸附裝置14將已利用原料空氣壓縮機13使總量升壓至第1設定壓力之原料空氣加以純化之升壓純化空氣，係通過循環空氣合流管道51之配管51a，與自第1壓縮段15a噴出、並經後冷卻器(after cooler)冷卻之配管51b的升壓回流空氣合流至配管51c，藉由第2壓縮段15b升壓至高於第1設定壓力而成為高壓之循環空氣。
自循環壓縮機15噴出之高壓之循環空氣的一部分，係分流至上述配管52，並與上述同樣地，導入至主熱交換器16而冷卻至第1設定溫度，並且經由配管54、閥31、配管55，以大部分經液化之狀態而導入至中壓塔11之下部。
分流至配管53之高壓之循環空氣的剩餘部分，係在導入至膨脹渦輪17之制動鼓風機22而進一步升壓至高壓後，經由配管86導入至主熱交換器16，冷卻至高於第1設定溫度之第2設定溫度，並於抵達至主熱交換器16之冷端之前抽出至配管56，而成為膨脹用空氣，然後導入至膨脹渦輪17。膨脹用空氣，係藉由膨脹渦輪17絕熱膨脹至低於第1設定壓力之第2設定壓力，而成為配管57之低溫空氣。該低溫空氣之一部分係分流至配管59，經由閥32及配管60導入至中壓塔之下部，低溫空氣之剩餘部分係分流至配管58而導入至主熱交換器16之冷端，經溫度恢復而成為配管61之回流空氣，繼而被抽吸至循環壓縮機15之第1壓縮段15a並進行循環。
如上所述，藉由循環空氣升壓步驟，使循環空氣升壓而形成更高壓之循環空氣，藉此可提高膨脹渦輪17中之膨脹率，從而可增大寒冷產生量。
圖3之第3形態例所示之空氣液化分離裝置中，設置有使溫度相對低之上述第2設定溫度之膨脹用空氣(冷膨脹用空氣)絕熱膨脹的冷膨脹渦輪17a、以及使溫度相對於第2設定溫度更高之第3設定溫度之膨脹用空氣(熱膨脹用空氣)絕熱膨脹的熱膨脹渦輪17b，作為進行膨脹步驟之膨脹渦輪；同時分別設置有冷膨脹渦輪制動鼓風機22a及熱膨脹渦輪制動鼓風機22b，以作為兩個膨脹渦輪17a、17b制動之用。
與上述第2形態例同樣地，升壓純化空氣與升壓回流空氣合流後，藉由循環壓縮機15之第2壓縮段15b加以升壓而變為高壓之循環空氣，係分流成配管52之第1分流空氣與配管53之第2分流空氣，分流至配管53之第2分流空氣，係藉由冷膨脹渦輪制動鼓風機22a而進一步升壓，並自配管86導入至主熱交換器16，並且以冷卻至上述第2設定溫度的狀態，抽出至配管56而成為冷膨脹用空氣。該冷膨脹用空氣，係藉由利用冷膨脹渦輪17a進行第1膨脹步驟而絕熱膨脹至上述第2設定壓力，從而成為上述第1設定溫度附近之第1低溫空氣。
第1低溫空氣之一部分係自配管57分流至配管59，並經由閥32及配管60導入至中壓塔11之下部，分流至配管58之剩餘部分之第1低溫空氣，係導入至主熱交換器16之冷端而進行溫度恢復，藉此成為配管61之回流空氣，並被抽吸至循環壓縮機15之第1壓縮段15a，並與上述同樣地進行循環。
另一方面，分流至配管52之第1分流空氣，係藉由熱膨脹渦輪制動鼓風機22b進一步升壓而自配管87導入至主熱交換器16，冷卻至高於上述第2設定溫度之第3設定溫度後，其一部分作為第3分流空氣而分流，並被抽出至配管88而成為熱膨脹用空氣。該熱膨脹用空氣係利用熱膨脹渦輪17b進行第2膨脹步驟，而絕熱膨脹至上述第2設定壓力，藉此成為高於上述第1設定溫度、且低於第3設定溫度之第2低溫空氣，並自與該第2低溫空氣之溫度相對應之位置之配管89導入至主熱交換器16，與溫度恢復中之第1低溫空氣合流、導出至配管61而成為回流空氣，然後在循環壓縮機15中循環。第1分流空氣之剩餘部分，係經主熱交換器16冷卻至第1設定溫度，並經由配管54、閥31、配管55而導入至中壓塔11。
如上所述，藉由將膨脹步驟分成熱、冷兩個步驟，可有效率進行利用膨脹渦輪之絕熱膨脹，且可有效地冷卻導入至中壓塔11之原料空氣。
圖4之第4形態例所示之空氣液化分離裝置，係將上述第3形態例中之循環壓縮機15設為具有第1壓縮段15a、第2壓縮段15b及第3壓縮段15c之多段壓縮機者。藉由循環壓縮機15之第2壓縮段15b而升壓之循環空氣與上述同樣地，分流成配管52之第1分流空氣與配管53之第2分流空氣，第1分流空氣，係藉由熱膨脹渦輪制動鼓風機22b而進一步升壓後，自配管87導入至主熱交換器16，其一部分於上述第3設定溫度下作為第3分流空氣分流至配管88，成為熱膨脹用空氣而導入至熱膨脹渦輪17b。其藉由利用熱膨脹渦輪17b，絕熱膨脹至第2設定壓力而成為與上述相同之第2低溫空氣，並自配管89導入至主熱交換器16進行恢復溫度後，經由配管61在循環壓縮機15中進行循環。
另一方面，配管53之第2分流空氣，係藉由第3壓縮段15c及冷膨脹渦輪制動鼓風機22a進一步升壓至高壓後，經由配管86被導入至主熱交換器16，並於上述第2設定溫度下被抽出至配管56而成為冷膨脹用空氣，並且藉由冷膨脹渦輪17a絕熱膨脹至第2設定壓力，藉此成為上述第1設定溫度附近之第1低溫空氣。配管57之第1低溫空氣一部分，係自配管59經由閥32及配管60而導入至中壓塔11之下部，剩餘部分之第1低溫空氣係自配管58導入至主熱交換器16，而與上述第2低溫空氣合流，經溫度恢復而成為配管61之回流空氣，繼而被抽吸至循環壓縮機15進行循環。
圖5之第5形態例所示之空氣液化分離裝置，係設置發電機23代替上述第4形態例中之冷膨脹渦輪制動鼓風機22a，並利用發電機23進行冷膨脹渦輪17a之制動，並且將分流至配管53藉由循環壓縮機15之第3壓縮段15c而升壓之第2分流空氣，保持如此之壓力而自配管90導入至主熱交換器16。如此，作為膨脹渦輪之制動，可採用除鼓風機制動以外之電動機制動或油壓制動。
圖6之第6形態例所示之空氣液化分離裝置係以如下方式形成，即，使藉由原料空氣壓縮機13而升壓至高於中壓塔11之運轉壓力之第1設定壓力、且經吸附裝置14純化後之升壓純化空氣，與藉由循環壓縮機15而升壓、進而藉由冷膨脹渦輪制動鼓風機22a及熱膨脹渦輪制動鼓風機22b升壓後之升壓回流空氣合流。
亦即，自吸附裝置14導出至配管91之升壓純化空氣，係分流至用以構成循環空氣合流管道之配管92與配管93。另一方面，藉由循環壓縮機15將配管61之回流空氣加以升壓之升壓回流空氣，係分流至朝向冷膨脹渦輪制動鼓風機22a之配管94、以及朝向熱膨脹渦輪制動鼓風機22b之配管95。
分流至配管94並藉由冷膨脹渦輪制動鼓風機22a進一步升壓之升壓回流空氣，係通過用以構成循環空氣合流管道之配管96與來自上述配管92之升壓純化空氣合流，並通過配管97而導入至主熱交換器16，經冷卻至第2設定溫度後被抽出至配管56，成為上述冷膨脹用空氣而導入至冷膨脹渦輪17a。
分流至配管95並藉由熱膨脹渦輪制動鼓風機22b進一步升壓之升壓回流空氣，係通過用以構成循環空氣合流管道之配管98與來自上述配管93之升壓純化空氣合流，並通過配管99而導入至主熱交換器16，其一部分於冷卻至第3設定溫度之階段被抽出至配管88，成為熱膨脹用空氣而導入至熱膨脹渦輪17b，剩餘部分則於冷卻至第1設定溫度後，成為配管54之中壓塔導入空氣而導入至中壓塔11。
再者，於各形態例中，係列舉了提取液態氧LO2、液態粗氬LAr及液態氮LN2作為液體產品之示例，但亦可應用於僅提取液態氧LO2作為液體產品之空氣液化分離裝置，且亦可應用於提取液態氧LO2與液態粗氬LAr、液態氧LO2與液態氮LN2之組合。又，作為循環壓縮機，可根據吸入壓力、噴出壓力、處理量，使用具有4段以上之壓縮段之壓縮機。
其次，說明使用上述第3形態例所示之空氣液化分離裝置，提取液態氧1500 Nm3/h、液態氮1000 Nm3/h及液態氬50 Nm3/h之情況之具體例。再者，[Nm3/h]係表示於0℃、1個大氣壓下換算而得之每小時之流量。
首先，將原料空氣(8800 Nm3/h)之總量，係藉由原料空氣壓縮機13升壓至約850 kPaG後，導入至使用有活性氧化鋁凝膠及沸石(zeolite)之吸附裝置14，吸附去除原料空氣中所含之水蒸氣或二氧化碳等雜質並加以純化。經純化之原料空氣(升壓純化空氣)導入至循環壓縮機15之第1壓縮段15a與第2壓縮段15b之間，並與自第1壓縮段15a所噴出之升壓回流空氣(12800 Nm3/h)合流，並藉由第2壓縮段15b升壓至2700 kPaG而成為循環空氣。
循環空氣之一部分(第1分流空氣7700 Nm3/h)，係藉由熱膨脹渦輪制動鼓風機22b升壓至4000 kPaG後，導入至主熱交換器16。第1分流空氣之一部分(第3分流空氣4000 Nm3/h)，係於藉由主熱交換器16冷卻至第3設定溫度之階段，自主熱交換器16抽出，並導入至熱膨脹渦輪17b而絕熱膨脹至第2設定壓力，藉此成為第2低溫空氣。第1分流空氣之剩餘部分(3700 Nm3/h)，係藉由主熱交換器16冷卻至第1設定溫度，經閥31減壓至中壓塔對應壓力後，通過配管55而導入至中壓塔11。
循環空氣之剩餘部分(第2分流空氣13900 Nm3/h)，係藉由冷膨脹渦輪制動鼓風機22a升壓至4000 kPaG並導入至主熱交換器16，經主熱交換器16冷卻至第2設定溫度後，導入至冷膨脹渦輪17a而進行絕熱膨脹，藉此成為第1低溫空氣。第1低溫空氣之一部分(8800 Nm3/h)，係導入至主熱交換器16後與上述第2低溫空氣合流，而成為原料空氣(循環空氣)之冷卻源，藉此經溫度恢復而成為回流空氣。第1低溫空氣之剩餘部分(5100 Nm3/h)通過閥32、配管60而導入至中壓塔11之下部。
被導入至中壓塔11之原料空氣(來自配管55之3700 Nm3/h、來自配管60之5100 Nm3/h)，係藉由利用中壓塔11、低壓塔12及粗氬塔19進行低溫蒸餾，而成為液態氧1500 Nm3/h、液態氮1000 Nm3/h、液態氬50 Nm3/h之液體產品，氧氣、氮氣之氣體產品以及廢氣。
將在主要配管中流動之氣體液體之流量、溫度、壓力、氧氣組成示於表1，並且將對本實施例中之吸附裝置與習知技術之吸附裝置進行對比之吸附裝置之主要規格示於表2。再者，表2中之活性氧化鋁量以下，係指將習知裝置設為100時之相對值。
11．．．中壓塔
12．．．低壓塔
13．．．原料空氣壓縮機
13a、14a．．．冷卻器
13b．．．除水器
14．．．吸附裝置
15．．．循環壓縮機
15a．．．第1壓縮段
15b．．．第2壓縮段
15c．．．第3壓縮段
16．．．主熱交換器
17．．．膨脹渦輪
17a．．．冷膨脹渦輪
17b．．．熱膨脹渦輪
18．．．主冷凝器
19．．．粗氬塔
20．．．氬冷凝器
21．．．過冷器
22．．．制動鼓風機
22a．．．冷膨脹渦輪制動鼓風機
22b．．．熱膨脹渦輪制動鼓風機
23．．．發電機
31～35．．．閥
51．．．循環空氣合流管道
51a～51c、52～99．．．配管
圖1係表示本發明之第1形態例的空氣液化分離裝置之系統圖。
圖2係表示本發明之第2形態例的空氣液化分離裝置之主要部分系統圖。
圖3係表示本發明之第3形態例的空氣液化分離裝置之主要部分系統圖。
圖4係表示本發明之第4形態例的空氣液化分離裝置之主要部分系統圖。
圖5係表示本發明之第5形態例的空氣液化分離裝置之主要部分系統圖。
圖6係表示本發明之第6形態例的空氣液化分離裝置之主要部分系統圖。
11．．．中壓塔
12．．．低壓塔
13．．．原料空氣壓縮機
13a、14a．．．冷卻器
13b．．．除水器
14．．．吸附裝置
15．．．循環壓縮機
16．．．主熱交換器
17．．．膨脹渦輪
18．．．主冷凝器
19．．．粗氬塔
20．．．氬冷凝器
21．．．過冷器
31～35．．．閥
51．．．循環空氣合流管道
51a～51c、52～85．．．配管

Claims (10)

  1. 一種空氣液化分離方法，其係藉由利用中壓塔及低壓塔，對經壓縮、純化、冷卻之原料空氣進行低溫蒸餾，而至少提取液態氧作為產品者，該空氣液化分離方法包含以下步驟：原料空氣壓縮步驟，將原料空氣之總量升壓至高於上述中壓塔之運轉壓力之第1設定壓力，而形成升壓原料空氣；吸附純化步驟，自該升壓原料空氣吸附並去除雜質，而形成升壓純化空氣；循環空氣合流步驟，使該升壓純化空氣與後述之升壓回流空氣合流，而形成循環空氣；冷卻步驟，使將該循環空氣一分為二之第1分流空氣冷卻至第1設定溫度，而形成中壓塔導入空氣，使第2分流空氣冷卻至高於上述第1設定溫度之第2設定溫度，而形成膨脹用空氣；膨脹步驟，使該膨脹用空氣絕熱膨脹至低於上述第1設定壓力之第2設定壓力，而形成低溫空氣；導入步驟，將該低溫空氣之一部分導入至上述中壓塔；升溫步驟，使該低溫空氣之剩餘部分恢復溫度而形成回流空氣；循環壓縮步驟，使該回流空氣升壓而形成上述升壓回流空氣；以及另一導入步驟，將上述中壓塔導入空氣減壓至與上述中壓塔之運轉壓力相對應之壓力並導入至上述中壓塔。
  2. 一種空氣液化分離方法，其係藉由利用中壓塔及低壓塔，對經壓縮、純化、冷卻之原料空氣進行低溫蒸餾，而至少提取液態氧作為產品者，該空氣液化分離方法包含以下步 驟：原料空氣壓縮步驟，將原料空氣之總量升壓至高於上述中壓塔之運轉壓力之第1設定壓力，而形成升壓原料空氣；吸附純化步驟，自該升壓原料空氣吸附並去除雜質，而形成升壓純化空氣；循環空氣合流步驟，使該升壓純化空氣與後述之升壓回流空氣合流，而形成循環空氣；冷卻步驟，使將該循環空氣一分為三之第1分流空氣，冷卻至第1設定溫度而形成中壓塔導入空氣，使第2分流空氣冷卻至高於上述第1設定溫度之第2設定溫度，而形成冷膨脹用空氣，進而使第3分流空氣冷卻至高於上述第2設定溫度之第3設定溫度，而形成熱膨脹用空氣；第1膨脹步驟，藉由使上述冷膨脹用空氣絕熱膨脹至低於上述第1設定壓力之第2設定壓力，而形成第1低溫空氣；第2膨脹步驟，藉由使上述熱膨脹用空氣絕熱膨脹至上述第2設定壓力，而形成高於上述第1設定溫度之第2低溫空氣；導入步驟，將該第1低溫空氣之一部分導入至上述中壓塔；升溫步驟，使該第1低溫空氣之剩餘部分與上述第2低溫空氣恢復溫度而形成回流空氣；循環壓縮步驟，使該回流空氣升壓而形成上述升壓回流空氣；以及另一導入步驟，將上述中壓塔導入空氣減壓至與上述中壓塔之運轉壓力相對應之壓力並導入至上述中壓塔。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之空氣液化分離方法，其中，包括將上述循環空氣升壓至高於上述第1設定壓力之循環空氣升壓步驟。
  4. 一種空氣液化分離裝置，其係藉由利用中壓塔及低壓塔，對經壓縮、純化、冷卻之原料空氣進行低溫蒸餾，而至少提取液態氧作為產品者，該空氣液化分離裝置包含：原料空氣壓縮機，其將原料空氣之總量升壓至高於上述中壓塔之運轉壓力之第1設定壓力，而形成升壓原料空氣；吸附裝置，其自該升壓原料空氣吸附去除雜質，而形成升壓純化空氣；循環空氣合流管道，其使該升壓純化空氣與後述之升壓回流空氣合流，而形成循環空氣；主熱交換器，其使將該循環空氣一分為二之第1分流空氣冷卻至第1設定溫度，而形成中壓塔導入空氣，使第2分流空氣冷卻至高於上述第1設定溫度之第2設定溫度，而形成膨脹用空氣；膨脹渦輪，其使該膨脹用空氣絕熱膨脹至低於上述第1設定壓力之第2設定壓力，而形成低溫空氣；配管，其將該低溫空氣之一部分導入至上述中壓塔；循環壓縮機，其使利用上述主熱交換器使該低溫空氣之剩餘部分恢復溫度之回流空氣升壓，而形成上述升壓回流空氣；以及另一配管，其將上述中壓塔導入空氣藉由閥而減壓至與上述中壓塔之運轉壓力相對應之壓力，並導入至上述中壓塔。
  5. 一種空氣液化分離裝置，其係藉由利用中壓塔及低壓塔，對經壓縮、純化、冷卻之原料空氣進行低溫蒸餾，而至少提取液態氧作為產品者，該空氣液化分離裝置包含：原料空氣壓縮機，其將原料空氣之總量升壓至高於上述中壓塔之 運轉壓力之第1設定壓力，而形成升壓原料空氣；吸附裝置，其自該升壓原料空氣吸附去除雜質，而形成升壓純化空氣；循環空氣合流管道，其使該升壓純化空氣與後述之升壓回流空氣合流，而形成循環空氣；主熱交換器，其使將該循環空氣一分為三之第1分流空氣冷卻至第1設定溫度，而形成中壓塔導入空氣，使第2分流空氣冷卻至高於上述第1設定溫度之第2設定溫度，而形成冷膨脹用空氣，進而使第3分流空氣冷卻至高於上述第2設定溫度之第3設定溫度，而形成熱膨脹用空氣；冷膨脹渦輪，其使上述冷膨脹用空氣絕熱膨脹至低於上述第1設定壓力之第2設定壓力，而形成第1低溫空氣；熱膨脹渦輪，其使上述熱膨脹用空氣絕熱膨脹至上述第2設定壓力，而形成第2低溫空氣；配管，其將上述第1低溫空氣之一部分導入至上述中壓塔；循環壓縮機，其對利用上述主熱交換器，使該第1低溫空氣之剩餘部分與上述第2低溫空氣恢復溫度之回流空氣進行升壓，而形成上述升壓回流空氣；以及另一配管，其將上述中壓塔導入空氣藉由閥而減壓至與上述中壓塔之運轉壓力相對應之壓力，並導入至上述中壓塔。
  6. 如申請專利範圍第4或5項之空氣液化分離裝置，其中，包括將上述循環空氣升壓至高於上述第1設定壓力的循環空氣壓縮機。
  7. 如申請專利範圍第6項之空氣液化分離裝置，其中，上 述循環空氣升壓機係設置於上述膨脹渦輪之膨脹渦輪制動鼓風機。
  8. 如申請專利範圍第4或5項之空氣液化分離裝置，其中，利用鼓風機、發電機、油壓泵中之任一者進行上述膨脹渦輪之制動。
  9. 如申請專利範圍第6項之空氣液化分離裝置，其中，利用鼓風機、發電機、油壓泵中之任一者進行上述膨脹渦輪之制動。
  10. 如申請專利範圍第7項之空氣液化分離裝置，其中，利用鼓風機、發電機、油壓泵中之任一者進行上述膨脹渦輪之制動。
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