JPH11142054A - 液化天然ガスの冷熱を利用した空気液化分離装置及び方法 - Google Patents

液化天然ガスの冷熱を利用した空気液化分離装置及び方法

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JPH11142054A
JPH11142054A JP9302140A JP30214097A JPH11142054A JP H11142054 A JPH11142054 A JP H11142054A JP 9302140 A JP9302140 A JP 9302140A JP 30214097 A JP30214097 A JP 30214097A JP H11142054 A JPH11142054 A JP H11142054A
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liquefied
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liquefied natural
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Taiji Kishida
泰治 岸田
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Taiyo Nippon Sanso Corp
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Japan Oxygen Co Ltd
Nippon Sanso Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 液化天然ガスの冷熱を利用した空気液化分離
装置において、循環窒素の圧縮圧を低く抑え、かつ、中
間冷媒を使用せずに安全に装置を稼動する。 【解決手段】 窒素ガスを圧縮する循環窒素圧縮機４
９，５３と、循環窒素とＬＮＧとを熱交換させるＬＮＧ
熱交換器４５ａ，４５ｂ，４５ｃと、ＬＮＧ熱交換器で
冷却されて液化した液化窒素を貯留する液化窒素貯槽５
７と、主精留塔９からの窒素ガスを循環窒素圧縮機に導
入する経路と、循環窒素圧縮機とＬＮＧ熱交換器とを結
ぶ経路と、ＬＮＧ熱交換器と液化窒素貯槽とを結ぶ経路
と、液化窒素貯槽と精留塔とを結ぶ経路と、循環窒素中
の可燃成分量を検出する炭化水素分析計６１とを設けた
循環窒素液化部３４を備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、液化天然ガス（以
下ＬＮＧという）の冷熱を利用した空気液化分離装置及
び方法に関し、詳しくは、ＬＮＧが比較的高い圧力で供
給される場合に、循環窒素系の圧力を前記ＬＮＧの供給
圧力よりも低く設定し、かつ、装置の安全性を確保した
空気液化分離装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】空気を液化精留分離し、その成分である
酸素，窒素，アルゴン等をガス又は液製品として採取す
る方法において、その系に必要な冷熱をＬＮＧの冷熱に
より賄って装置の運転を行う方法は、従来から各種の方
式が提案されている。すなわち、ガス製品を採取する場
合の深冷精留分離装置は、装置運転に必要な起動時装置
冷却用の冷熱、運転時の温端ロス及び侵入熱の補給に必
要な冷熱、液製品採取の場合は、これらに加えて液製品
が系外に液として持ち出す冷熱分の補給を、ＬＮＧの冷
熱から供給を受けることによって賄う方式である。
【０００３】この場合、通常の装置では、膨張タービン
を設置して上記必要冷熱を発生させるのに対してこれが
不要となり、その分の原料空気圧縮動力が節減でき、動
力原単位が節減される。空気液化分離におけるコストの
大部分は動力費であり、その大部分は、原料空気の圧縮
動力費であるから、この内の膨張タービン向けの空気の
圧縮動力を節減するだけでも大幅な原単位の節減にな
る。
【０００４】しかし、ＬＮＧは可燃性であり、原料空気
あるいは製品酸素との熱交換は好ましくないため、循環
窒素系を設けてＬＮＧより高い圧力の循環窒素とＬＮＧ
とを熱交換させるか、循環窒素とＬＮＧとの熱交換をさ
らにフロン等の循環冷媒を介して行い、万一熱交換器の
漏洩が起こっても、可燃性のＬＮＧが原料空気中、製品
酸素中に混入したり、精留塔に侵入したりすることがな
いように配慮していた。
【０００５】すなわち、循環窒素系における予冷部の熱
交換器では、ＬＮＧとフロン又は各種ガスの中間冷媒を
介して熱交換させ、窒素を液化させる液化部の熱交換器
でＬＮＧと熱交換する窒素は、ＬＮＧよりも高い圧力で
熱交換させていた。
【０００６】これにより、例えば、熱交換器に亀裂が入
って流体間で漏洩が生じても、ＬＮＧが窒素に混入しな
いように安全対策を講じていた。すなわち、仮に窒素中
にＬＮＧが漏洩すると、沸点の関係から精留塔中の酸素
純度の高いところに濃縮し、爆発に至る可能性があるた
め、上記対策を行っていた。また、このように、従来
は、循環窒素の圧力をＬＮＧの供給圧力より高く設定し
ていたので、循環経路には、液化窒素貯槽を介在させる
ことは通常行われていなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかし、ＬＮＧの用途
によっては、非常に高い圧力で供給される場合があり、
この場合は、循環窒素圧力をそのＬＮＧの圧力以上に圧
縮しなければならず、このための圧縮動力が増大する不
都合が生じる。
【０００８】また、中間冷媒を介在使用して循環窒素の
低圧部を冷却することも、近年は、地球環境保護の観点
からの規制が厳しくなり、冷媒の使用が限られた条件で
のみ可能となってきており、その対策が必要であった。
【０００９】そこで本発明は、循環窒素の圧縮圧を低く
抑え、かつ、中間冷媒を使用せずに安全に装置を稼動す
ることができる液化天然ガスの冷熱を利用した空気液化
分離装置及び方法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、本発明の液化天然ガスの冷熱を利用した空気液化分
離装置は、液化天然ガスの冷熱を利用して空気を液化精
留する空気液化分離装置において、窒素ガスを圧縮する
少なくとも一基の循環窒素圧縮機と、該循環窒素圧縮機
で圧縮した循環窒素と液化天然ガスとを熱交換させる少
なくとも一基の液化天然ガス熱交換器と、該液化天然ガ
ス熱交換器で冷却されて液化した液化窒素を貯留する液
化窒素貯槽と、少なくとも精留塔からの窒素ガスを前記
循環窒素圧縮機に導入する経路と、循環窒素圧縮機と前
記液化天然ガス熱交換器とを結ぶ経路と、該液化天然ガ
ス熱交換器と前記液化窒素貯槽とを結ぶ経路と、該液化
窒素貯槽と精留塔とを結ぶ経路と、これら経路を流れる
窒素中の可燃成分の量を検出する検出器とを設けた循環
窒素液化部を備えたことを特徴とするものであって、特
に、前記可燃成分の量を検出する検出器が炭化水素測定
器であること、さらに、前記液化窒素貯槽が複数個設け
られていることを特徴としている。
【００１１】また、本発明の液化天然ガスの冷熱を利用
した空気液化分離方法は、空気を圧縮，精製，冷却して
精留塔に導入し，精留分離して空気成分の少なくとも一
種のガスを製品として採取するとともに、系に必要な冷
熱を液化天然ガスの冷熱を利用して供給することにより
空気を液化精留する空気液化分離方法において、精留塔
から導出した窒素ガスの少なくとも一部を圧縮し、液化
天然ガスと熱交換させて冷却液化し、生成した液化窒素
の少なくとも一部を液化窒素貯槽に貯留し、該貯留液化
窒素の少なくとも一部を精留塔に導入して循環させ、該
循環窒素及び／又は前記貯留液化窒素中の可燃成分の含
有量を検出し、該検出値が所定量以上のときには、前記
循環窒素の循環を停止することを特徴とし、さらに、前
記循環窒素の圧力が、液化天然ガスの供給圧力よりも低
いことを特徴としている。
【００１２】上記構成によれば、循環窒素液化部に液化
窒素を貯留する液化窒素貯槽を設けるとともに、窒素中
の炭化水素を検出・監視する分析計を設けたので、万
一、熱交換器に亀裂等のトラブルが生じて漏洩があって
も、検出器（炭化水素分析器）でただちにこれを発見で
き、循環窒素を停止することにより、精留塔を主要機器
とする空気分離部に炭化水素が侵入するのを防ぐことが
でき、循環窒素をＬＮＧの供給圧力より低い圧力で循環
させることができる。
【００１３】さらに、液化窒素貯槽を設けることによ
り、所定量以上の炭化水素を含む液化窒素がこれに貯留
されて空気分離部に至るには時間を要するので、また、
液化部と空気分離部とを結ぶ経路に炭化水素分析計を設
けることにより、空気分離部が爆発の危険範囲に入る可
能性は極めて低く、装置全体の安全が充分に確保でき
る。
【００１４】また、循環窒素の圧力を比較的低圧とする
ことができ、ＬＮＧと窒素とを直接熱交換差せることが
できるので、フロン等の中間冷媒を使用する必要がなく
なった。このため、装置構成がシンプルになるととも
に、循環窒素圧縮機も、多くの種類の中から最適なもの
を選定することができる。
【００１５】例えば、循環窒素の圧力を、ＬＮＧより高
圧の８０Ｋｇ／ｃｍ２Ｇ以上に選定すると、レシプロ式
圧縮機を採用しなければならなくなるが、本発明により
窒素圧縮機の選択幅が広くなり、ターボ式のものが使用
できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】図１は本発明の空気液化分離装置
の一形態例を示す系統図である。経路１から大気が原料
空気として２９，５００Ｎｍ３／ｈ導入され、空気圧縮
機２で５．５ｋｇ／ｃｍ２Ｇに圧縮されて経路３に導出
し、クーラー４（前記空気圧縮機のアフタークーラー
等) で冷却された後、切換え使用される対でなるＭＳ吸
着器５の一方に導入される。前記クーラー４の冷却水
は、所要冷却温度に応じて、別に設けられた熱交換器
（図示せず）により、低温天然ガス（気化ＬＮＧ）と熱
交換して低温にした冷却水を使用する。
【００１７】ＭＳ吸着器５で、含有する炭酸ガス及び水
分を除去された圧縮精製空気は、経路６から空気分離部
１９のコールドボックス１９ａ内に導入されて主熱交換
器７に入り、主精留塔９から帰還する酸素，窒素等の低
温ガスと熱交換して冷却され、−１７２℃で導出して経
路８から主精留塔９の下部塔１０の下部へ導入される。
【００１８】下部塔１０に導入された原料空気は、塔内
を上昇し、塔頂から降下してくる還流液と向流気液接触
して精留を行い、塔上部に窒素を分離するとともに、塔
底部には酸素富化液化空気が留出する。この酸素富化液
化空気１６，５００Ｎｍ３／ｈは、経路１２から導出
し、膨張弁１３で膨張して約０．４ｋｇ／ｃｍ２Ｇとな
り、経路１４から上部塔１１の中間部に導入され、該塔
内で精留に供される。
【００１９】前記経路１４の酸素富化液化空気は、その
一部が経路１５に分岐して粗アルゴン塔１６の凝縮器１
７に入り、該凝縮器１７で冷熱を供給して大部分がガス
となり、経路１８から前記上部塔１１の中間部へ導入さ
れる。
【００２０】前記下部塔１０の頂部に分離した窒素ガス
は、経路２０に導出して分岐し、分岐した一方が主凝縮
蒸発器２２に入り、上部塔１１の塔底に留出した液化酸
素と熱交換して液化し、経路２３に導出して二分し、一
方は、再び下部塔１０の頂部に導入されて該塔の還流液
となる。分岐した他方の液化窒素３９００Ｎｍ３／ｈ
は、経路２４，膨張弁２５を経て経路２６から上部塔１
１の頂部に還流液として導入される。
【００２１】前記経路２０から分岐した窒素ガスの他方
８，８００Ｎｍ３／ｈは、経路２１を経て前記主熱交換
器７に入り、前記原料空気と熱交換して略常温になった
後、経路２７からコールドボックス１９ａを導出し、調
節弁２８を経て後述の循環窒素液化部（循環窒素系）３
４へ向かう。
【００２２】前記上部塔１１内では、前記塔底部に留出
した液化酸素が、主凝縮蒸発器２２内のガス側流路を流
れる窒素ガスと熱交換し、気化して上昇ガスとなる。上
部塔１１の頂部に導入された前記液化窒素及び塔中間部
に導入された酸素富化液化空気は、上部塔１１の還流液
となって塔内を流下し、前記上昇ガスと向流気液接触し
て精留が行われる。
【００２３】その結果、上部塔１１の頂部に分離した窒
素ガス１５，０００Ｎｍ３／ｈは、経路２９に取り出さ
れ、主熱交換器７で前記原料空気と熱交換して略常温と
なり、コールドボックス１９ａを導出して経路３１，３
２から循環窒素液化部３４のコールドボックス３４ａ内
に向かう。
【００２４】前記上部塔１１の塔底部に分離した液化酸
素は、経路４３に取り出されて液化酸素貯槽４４に貯蔵
される。また、上部塔１１の中上部の排ガスは、経路３
０から導出され、主熱交換器７で熱回収を行って系外へ
導出される。
【００２５】さらに、上部塔１１の中間部におけるアル
ゴン濃度が最も高い位置付近からアルゴンフィードガス
が経路３５に抜き出され、前記粗アルゴン塔１６の下部
に導入されて精留が行われ、該粗アルゴン塔１６の頂部
からアルゴン約９５〜９７％の粗アルゴンが経路３７に
導出される。
【００２６】粗アルゴン塔１６を導出した粗アルゴン
は、アルゴン熱交換器３８を経てアルゴン精製装置３９
に入り、触媒工程を主とする精製を行った後、再度アル
ゴン熱交換器３８を経て高純アルゴン塔４０の塔底のリ
ボイラーに入り、自身は液化して導出し、この高純アル
ゴン塔４０の中部に導入されて精留され、塔底部に高純
度アルゴンを留出する。この高純度液化アルゴンは、経
路４１に取り出されて液化アルゴン貯槽４２に貯留され
る。
【００２７】前記経路３１に導出した上部塔１１からの
圧力０．１ｋｇ／ｃｍ２Ｇの窒素ガス１５，０００Ｎｍ
３／ｈは、その一部１１，８００Ｎｍ３／ｈが経路３３
に分岐し、製品窒素ガスとして経路３３から系外に取り
出され、分岐した他方の窒素ガス３２，０００Ｎｍ３／
ｈは、経路３２から前記循環窒素液化部３４のコールド
ボックス３４ａに導入され、最初にＬＮＧ熱交換器４５
ａに入る。
【００２８】一方、圧力８０ｋｇ／ｃｍ２Ｇ、温度−１
５５℃のＬＮＧが３０Ｔｏｎ／ｈで経路４６から導入さ
れ、その一部が経路４７ａに分岐して前記ＬＮＧ熱交換
器４５ａに導入され、前記経路３２から導入されて向流
する窒素ガスと熱交換する。熱交換した窒素ガスは、−
１３５℃に冷却されて経路４８からコールドボックス３
４ａを導出する。
【００２９】経路４８の冷却窒素ガスは、−１３５℃で
循環窒素圧縮機４９に導入され、低温圧縮されて４．７
ｋｇ／ｃｍ２Ｇとなり、経路５０に導出し、前記経路２
７，弁２８を経由してきた４．７ｋｇ／ｃｍ２Ｇの窒素
ガス８８，０００Ｎｍ３／ｈと合流し、経路５１により
ＬＮＧ熱交換器４５ｂに導入される。該ＬＮＧ熱交換器
４５ｂでは、前記経路４６から経路４７ｂに分岐した８
０ｋｇ／ｃｍ２ＧのＬＮＧと向流熱交換し、−１３５℃
まで冷却され、経路５２からコールドボックス３４ａの
外に出る。
【００３０】経路５２の４．６ｋｇ／ｃｍ２Ｇ、−１３
５℃の窒素ガス１２，０００Ｎｍ３／ｈは、循環窒素圧
縮機５３に導入され、６０ｋｇ／ｃｍ２Ｇに圧縮され、
経路５４に導出して再度コールドボックス３４ａに導入
された後、ＬＮＧ熱交換器４５ｃに導入され、経路４７
ｃから導入されて向流する８０ｋｇ／ｃｍ２ＧのＬＮＧ
と熱交換し、−１５０℃となり、液化（ここでは超臨界
の条件の状態も液化の状態という）して経路５５に導出
する。
【００３１】経路５５に導出した液化窒素１２，０００
Ｎｍ３／ｈは、弁５６で約２ｋｇ／ｃｍ２Ｇまで降圧膨
張して−１８５℃となり、液化窒素貯槽５７に導入され
る。弁５６で膨張した際に発生したフラッシュガスは、
液化窒素貯槽５７の上部から取り出され、低温ガス経路
６６を通り、前記経路５２に合流して循環する。
【００３２】前記ＬＮＧ熱交換器４５ａ，４５ｂ，４５
ｃで昇温してガス化し、常温になった天然ガスは、それ
ぞれ熱交換器群を導出後に合流し、経路６５を経て天然
ガスの使用先に送られる。
【００３３】前記液化窒素貯槽５７に一次的に貯留され
た液化窒素７５００Ｎｍ３／ｈは、経路５９に導出され
て液化窒素ポンプ６０で昇圧した後、調節弁６２で０．
３ｋｇ／ｃｍ２Ｇまで降圧膨張し、経路６３を経てコー
ルドボックス１９ａ内に導入され、経路２６の液化窒素
３６００Ｎｍ３／ｈに合流して上部塔１１の頂部に導入
され、該上部塔１１の還流液となるとともに、空気分離
部へ所要冷熱を供給する。液化窒素貯槽５７の貯蔵圧力
が揚液するために必要な程度に高い場合は、液化窒素ポ
ンプ６０を省略することができる。
【００３４】また、前記経路５５には、窒素中の可燃成
分である炭化水素の量を検出する検出器である炭化水素
分析計（ＱＩＡ）６１が設けられており、該経路５５を
流れる高圧液体窒素中の炭化水素量を常時検出・測定し
ている。測定値が所定の量を超えた場合は、直ちに警報
を発するとともに信号を発し、循環窒素液化部３４の全
体（コールドボックス３４ａ内及び循環窒素圧縮機４
９，５３）を停止するよう設定しておく。
【００３５】なお、循環窒素液化部３４の循環窒素中に
ＬＮＧが微量混入したことが検出され、循環窒素系を停
止する場合の各種バルブの閉弁順序は、幾通りか考えら
れ、採用プロセスによって異なるので、その詳細な説明
は省略する。
【００３６】これにより、前記ＬＮＧ熱交換器４５ａ，
４５ｂ，４５ｃの何れかに、例えば亀裂が生じて微量の
ＬＮＧが循環窒素中に漏洩しても、炭化水素分析計６１
により検出されて循環窒素系が停止し、漏洩したＬＮＧ
が空気分離部１９まで及ぶことがなくなる。
【００３７】さらに、仮に微量漏洩したＬＮＧを含む液
化窒素が短時間経路５５を流れても、その液化窒素は、
前記液化窒素貯槽５７に導入されて貯留されるため、主
精留塔９（図示は省略するが、液化酸素中の炭化水素量
測定器は、従来通り設置されている）へ到達するのは、
相当時間経過した後であり、前記炭化水素分析計６１が
故障して発見が遅れた場合でも、別途炭化水素測定器
（図示せず）を設けて液化窒素貯槽５７内の液化窒素中
の含有炭化水素量を一定時間毎に検査していれば大事に
至ることはない。また、液化窒素貯槽５７から主精留塔
９への経路６３にも、別に炭化水素測定器（図示せず）
を設けておくことにより、主精留塔９内に炭化水素の蓄
積が始まる前に炭化水素含有液化窒素の供給を停止する
ことができる。
【００３８】また、前記液化窒素貯槽５７を複数個設置
しておくことにより、上記ステップの安全度を更に向上
させることができる。すなわち、複数個の液化窒素貯槽
５７を、例えば直列に接続して使用することにより、又
は受入れ貯槽と払出し貯槽とを区別して使用することに
より、より安全な稼働が可能になる。万一液化窒素貯槽
５７の一つに炭化水素が微量混入しても、空気分離部１
９は運転維持が可能である。
【００３９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
循環窒素液化部に液化窒素を貯留する液化窒素貯槽を設
けるとともに、窒素中の炭化水素を検出・監視する検出
器を設けたので、万一循環系の熱交換器にトラブルが生
じてＬＮＧの漏洩があっても、該検出器でただちに発見
でき、循環窒素系を停止することにより、空気分離部に
炭化水素が侵入するのを防ぐことができ、循環窒素をＬ
ＮＧの供給圧力より低い圧力で循環するよう形成でき
る。
【００４０】さらに、液化窒素貯槽を設けたことによ
り、所定量以上の炭化水素を含む液化窒素がこれに貯留
されるので、分離部に至る前にこれを検知することがで
き、精留塔内に侵入して濃縮し、爆発の危険に至る可能
性は極めて低く、安全が確保できる。また、フロン等の
中間冷媒を使用する必要がなくなる。
【００４１】しかも、循環窒素の圧力を比較的低圧にす
ることができ、また、ＬＮＧと窒素とを直接熱交換する
ことができ、装置構成がシンプルになるとともに、循環
窒素圧縮機も多くの種類の中から最適なものを選定する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の空気液化分離装置の一形態例を示す
系統図である。
【符号の説明】
２…空気圧縮機、４…クーラー、５…ＭＳ吸着器、７…
主熱交換器、９…主精留塔、１０…下部塔、１１…上部
塔、１３…膨張弁、１６…粗アルゴン塔、１７…凝縮
器、１９…空気分離部、１９ａ…コールドボックス、２
２…主凝縮蒸発器、２５…膨張弁、２８…調節弁、３４
…循環窒素液化部（循環窒素系）３４ａ…コールドボッ
クス，３８…アルゴン熱交換器、３９…アルゴン精製装
置、４０…高純アルゴン塔、４２…液化アルゴン貯槽、
４４…液化酸素貯槽、４５ａ，４５ｂ，４５ｃ…ＬＮＧ
熱交換器、４９，５３…循環窒素圧縮機、５７…液化窒
素貯槽、６０…液化窒素ポンプ、６１…炭化水素分析計
（ＱＩＡ）、６２…調節弁

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 液化天然ガスの冷熱を利用して空気を液
    化精留する空気液化分離装置において、窒素ガスを圧縮
    する少なくとも一基の循環窒素圧縮機と、該循環窒素圧
    縮機で圧縮した循環窒素と液化天然ガスとを熱交換させ
    る少なくとも一基の液化天然ガス熱交換器と、該液化天
    然ガス熱交換器で冷却されて液化した液化窒素を貯留す
    る液化窒素貯槽と、少なくとも精留塔からの窒素ガスを
    前記循環窒素圧縮機に導入する経路と、循環窒素圧縮機
    と前記液化天然ガス熱交換器とを結ぶ経路と、該液化天
    然ガス熱交換器と前記液化窒素貯槽とを結ぶ経路と、該
    液化窒素貯槽と精留塔とを結ぶ経路と、これら経路を流
    れる窒素中の可燃成分の量を検出する検出器とを設けた
    循環窒素液化部を備えたことを特徴とする液化天然ガス
    の冷熱を利用した空気液化分離装置。
  2. 【請求項２】 前記可燃成分の量を検出する検出器が炭
    化水素測定器であることを特徴とする請求項１記載の液
    化天然ガスの冷熱を利用した空気液化分離装置。
  3. 【請求項３】 前記液化窒素貯槽が複数個設けられてい
    ることを特徴とする請求項１記載の液化天然ガスの冷熱
    を利用した空気液化分離装置。
  4. 【請求項４】 空気を圧縮，精製，冷却して精留塔に導
    入し，精留分離して空気成分の少なくとも一種のガスを
    製品として採取するとともに、系に必要な冷熱を液化天
    然ガスの冷熱を利用して供給することにより空気を液化
    精留する空気液化分離方法において、精留塔から導出し
    た窒素ガスの少なくとも一部を圧縮し、液化天然ガスと
    熱交換させて冷却液化し、生成した液化窒素の少なくと
    も一部を液化窒素貯槽に貯留し、該貯留液化窒素の少な
    くとも一部を精留塔に導入して循環させ、該循環窒素及
    び／又は前記貯留液化窒素中の可燃成分の含有量を検出
    し、該検出値が所定量以上のときには、前記循環窒素の
    循環を停止することを特徴とする液化天然ガスの冷熱を
    利用した空気液化分離方法。
  5. 【請求項５】 前記循環窒素の圧力が液化天然ガスの供
    給圧力よりも低いことを特徴とする請求項４記載の液化
    天然ガスの冷熱を利用した空気液化分離方法。
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