1. 簡介
最近，CO 2控制排放和有效利用能源資源從這一觀點來看，消耗大量能源的低溫空氣分離裝置(ASU)的節能化比以往更加重要。ASU動力性能的指標之一是動力原單位（低壓氧氣產生基礎），它將低壓（約130 kPa(abs)以下）的產品氧氣轉化為1米。3產生/h（normal）所需的ASU的消耗功率。圖1為高純度氧（≥99.5%（volume））
關于原單位的推移，1960年代為0.46 kWh/m 3原為（normal）的動力原單位，由于蒸餾計算的精度提高的氧氣收率的改善，由于采用填充塔的壓力損失的降低，后述的主凝縮器的流體間溫度差的降低的下部塔壓力的降低，原料空氣壓縮機的性能提高等的影響，現在約為0.35 kWh/m 3改善到（normal）。但是，在最近的20年里，動力原單位沒有得到改善，ASU的性能方面達到了頂點狀態，似乎正在接近極限。其主要原因之一是由低壓塔、高壓塔以及熱整合這些塔的主凝縮器構成的ASU的基本工藝，特別是制造高純度氧的工藝，從大約100多年前就沒有發生變化。這種趨勢對
于國內外同行業的其他公司也是如此，無法獲得相對于其他公司在動力方面的優勢是ASU行業激烈的價格競爭的原因之一。在這樣的背景下，本公司認為，高純度氧，可同時生產高純氮和高純氬的ASU的基本工藝，在抑制裝置成本上升的同時，開發出最多可削減10%左右的原功率的ASU工藝1),2)實用化了。本稿介紹了開發的ASU程序的概要。
2. 開發的深冷空氣分離工藝的概要
圖2表示(a)現行程序和(b)新程序的程序流程的比較。
兩個工藝都是由高壓塔、低壓塔、氬塔這三個精餾塔構成的，各個精餾塔通過凝縮器相互熱整合，另一方面，各精餾塔的熱整合組合和流體的處理在兩個工藝中是不同的。在現行工藝中，高壓塔頂與低壓塔底部通過主冷
凝器進行熱整合，即所謂的復式精餾工藝是基本工藝，作為低壓塔側切塔的氬塔是輔助定位，而新工藝中，高壓塔頂與氬塔底部、氬塔頂與低壓塔底部分別進行熱整合，這一點基本不同。
由于這種熱整合的不同，兩個工藝中各精餾塔的操作壓力不同。也就是說，在現行工藝中，為了使低壓塔的液化氧通過高壓塔的氮氣蒸發，如果將高壓塔的操作壓力提高到約540 kPa(abs)，則工藝成立，而在新工藝
中，為了使低壓塔的液化氧通過氬塔的氬氣蒸發，將氬塔的操作壓力提高到約220 kPa(abs)
需要提高，而且為了使氬塔底部約240 kPa(abs)的液化氧通過高壓塔的氮氣蒸發，需要將高壓塔的操作壓力提高到約850 kPa(abs)。因此，現行工藝是用原料空氣壓縮機(MAC)將原料空氣壓縮至約580 kPa(abs)，而新工藝則需要將原料空氣壓縮至約890 kPa(abs)，MAC的消耗動力會變大。
另一方面，新工藝具有可以增加高壓塔頂導出的中壓氮氣流量的特點。在現行工藝中，低壓塔和氬塔的上升氣體由主凝縮器產生，而在新工藝中，這一作用被分割為氬凝縮器和氮凝縮器，低壓塔的上升氣體由氬凝縮器產生，氬塔的上升氣體由氮凝縮器產生。因此，在新工藝中，氮凝縮器的交換熱量可以比現行工藝的主凝縮器小，如上所述，可以增加中壓氮氣的導出量。因此，在需要高壓氮氣的產品規格條件下，通過有效利用該中壓氮氣，可以削減氮氣的壓送動力，因此ASU整體可以削減消耗動力。
3. 通過案例研究評估有效性
為了評價開發的新工藝的有效性，在面向一般鋼鐵廠的ASU上應用新工藝進行試驗設計，關于消耗動力和裝置成本進行現行的研究與應用程序的情況進行了比較。表1(a)表示本案例研究中設定的產品規格。
3.1 功耗和功率強度
表1(b)顯示了應用新程序時與現行程序的消耗功率的差。如前所述，在新工藝中，由于MAC的排出壓力變高，消耗功率增加，而設置在MAC二次側的空氣增壓器(BAC)由于吸入壓力變高，消耗功率降低。另外，現行工藝（不伴隨動力增加）不能導出中壓氮氣，與此相對，新工藝可以導出原料空氣量的2成左右的中壓氮氣，因此可以減少氮氣壓縮機(NC)低壓段的處理量，減少消耗動力。另外，隨著原料空氣管線的高壓化，通過前處理設備的緊湊化，可以減少內部的吸附劑量，也可以減少再生所需的能量。結果確認了合計可以削減551 kW的功率。這相當于ASU整體消耗動力的約5%，相當于低壓氧氣發生基礎的動力原單位的10%削減。如前所述，低壓氧氣發生基礎的動力原單位是指低壓氧氣為1米3產生/h（normal）所需的ASU的消耗功率，是從ASU整體的消耗功率中減去與產品氣體的壓縮及液體產品的液化相關的相當功率，除以產品氧量的結果。在此，與壓縮相關的相當動力是指將產品氣體從大氣壓壓縮到產品壓力所需的動力嘗。
3.2 設備成本
表1(c)顯示了應用新程序時與現行程序的裝置成本差。新工藝一方面存在液化氣泵（供給氬泵）的追加、冷箱的尺寸增加等成本上升的主要原因，另一方面，由于中壓氮氣量的增加，NC低壓段的緊湊化、原料空氣管線的高壓化，預處理設備和外部配管的緊湊化，預計可以降低成本，因此確認了ASU整體的裝置成本與現行工藝基本相同。
確認了預計會有一定程度的動力原單位削減。具體適用范圍的標準大致如下。
產品氧純度>99%（volume）
產品氧氣壓力>200 kPa(abs)
產品氮氣壓力>800 kPa(abs)
4. 適用范圍
表2顯示了過去具體項目中新工藝的應用實例（案例研究）。根據產品規格的不同，工藝應用效果也各不相同，但最多可達10%
5. 結語
通過改良ASU的基本工藝復式精餾工藝，開發了將裝置成本控制在與以往相同程度的同時，最大可削減10%的消耗動力或動力原單位的深冷空氣分離工藝。雖然本工藝中的各構成機器與以往沒有變化，但由于蒸餾塔的操作壓力和工藝循環與以往不同，因此完成了以前沒有實際成果的精餾條件下的蒸餾塔的性能確認試驗和適用于本工藝的控制方法、起動方法的研究，現在已經開始適用于實際機器。今后，希望推進本工藝的適用，為降低氣體單價、降低環境負荷做出貢獻。
