JP2873381B2 - 空気液化分離方法及び装置 - Google Patents

空気液化分離方法及び装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、空気液化分離方法及び装置に関し、特に原
料空気の前処理設備として水洗冷却塔，吸着器を有し、
製品として酸素ガス，液化酸素，液化窒素，アルゴン等
を製出する空気液化分離方法及び装置に関する。
〔従来の技術〕
原料空気を分離して得られる分離ガスの需要は、従来
からの主に鉄鋼向けの酸素ガスに加え、近年、主に半導
体工業向けの窒素ガスが求められており、また、アルゴ
ンの需要も急激に伸びている。このような重要の下で、
一つの装置で上記の各種ガスを製出することのできる空
気液化分離装置が使用されてきている。このような各種
ガスを同時に製出する空気液化分離装置では、需要に応
じて製出する製品の状態，種類を適宜調節できることが
望まれている。
一方、空気液化分離装置の前処理設備として、圧縮機
により圧縮されて昇温した原料空気を水洗冷却等で予冷
し、吸着剤を充填した吸着器で空気中の水分や炭酸ガス
を除去して精製するものが知られている。このような前
処理設備を備えた空気液化分離装置においては、精留塔
から排出される排ガスを用いて前記水洗冷却塔に供給す
る冷却水の冷却及び吸着器の再生を行っている。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、上述のごとき前処理設備を備えた空気
液化分離装置で製品の状態，種類を調節する場合、その
組合せによっては、冷却水の冷却及び吸着器の再生を行
うために必要な排ガス量を確保できなくなることがあっ
た。
即ち、アルゴンを概ね一定量製出する条件下におい
て、主に液化酸素、あるいは主に酸素ガスと液化酸素と
を採取する酸素モードと、主に液化窒素を採取する液化
窒素モードとを切替える運転を行う空気液化分離装置の
場合、製品液化ガス（液化酸素，液化窒素）の採取可能
量は、装置の発生寒冷量により決定されるため、液化窒
素を主に採取する運転モードの時には、採取できる液化
酸素量が減少してしまう。このため、精留塔内が富酸素
状態となり、アルゴン収率を低下させるため、精留塔内
から余剰の酸素ガスを製品酸素ガスとともに抜出し、製
品量以上の酸素ガスを大気に放出してアルゴン収率を略
一定に保つようにしている。
従って、原料空気量が一定であることから、排出され
る酸素ガスの分だけ排ガス量が減少し、前記前処理設備
に必要な排ガス量を確保することができなくなる。その
ため、吸着器の再生に必要な排ガスの量を一定とすれ
ば、水洗冷却塔に供給する冷却水の冷却を行う設備とし
て冷凍機等を設置し、排ガス不足による冷却水の冷却不
足を補う必要があった。
そこで、本発明は、上述のごとき運転モードで運転さ
れる際の排ガス不足を解消し、常に十分な量の排ガス量
を得ることのできる空気液化分離方法及び装置を提供す
ることを目的としている。
〔課題を解決するための手段〕
上記した目的を達成するために、本発明の空気液化分
離方法は、圧縮されて昇温した原料空気を水洗冷却等で
予冷し、次いで吸着剤を充填した吸着器で精製した後に
主熱交換器で冷却して精留塔に導入し、原料空気を液化
精留分離して酸素ガス，液化酸素，液化窒素，アルゴン
等を製出し、前記精留塔から排出される排ガスで前記水
洗冷却塔に導入する冷却水の冷却及び前記吸着器の再生
を行うとともに、主として液化酸素を製出する運転モー
ドと主として液化窒素を製出する運転モードとを需要に
応じて切り替え運転する空気液化分離方法において、主
として液化窒素を製出する際に余剰となる酸素ガスを精
留塔から導出して、前記排ガスに合流させることを特徴
としている。
また本発明の空気液化分離装置は、圧縮昇温後の原料
空気を予冷する水洗冷却塔と、原料空気の精製を行う吸
着器と、原料空気を冷却する主熱交換器と、原料空気を
液化精留分離して酸素ガス，液化酸素，液化窒素，アル
ゴン等を製出する精留塔とを備えるとともに、前記精留
塔から排出される排ガスで前記水洗冷却塔に導入する冷
却水の冷却及び前記吸着器の再生を行う排ガス系統を備
えた空気液化分離装置において、前記精留塔から製出す
る酸素ガスを採取する酸素ガス採取系統に、該系統内の
酸素ガスを排ガス系統に合流させる合流回路を設けたこ
とを特徴としている。
〔作 用〕
上記のごとく、主として液化窒素を製出する際に余剰
となる酸素ガスを、排ガス系統に合流させることによ
り、前処理設備に必要な排ガス量を確保することができ
る。
〔実施例〕
以下、本発明を図面に示す一実施例における気液の流
れに基づいて、さらに詳細に説明する。
空気液化分離装置１に導入される原料空気Ａは、まず
圧縮機２で圧縮されて昇温し、アフタークーラー３で40
℃程度まで冷却される。原料空気Ａは、次いで水洗冷却
塔４に導入され、冷水塔５から供給される冷却水CWと接
触して約15℃に予冷される。予冷後の原料空気Ａは、切
替弁群6,6の切り替え開閉により切り替え使用される一
対の吸着器7,7からなる吸着設備に導入され、吸着器７
内に充填された吸着剤により、含有する水分，炭酸ガス
等を吸着除去されて精製される。精製後の原料空気Ａ
は、主熱交換器８に導入され、後述の各種製品ガス及び
排ガスと熱交換を行って液化点付近まで冷却され、導管
９から複精留塔10に導入される。
この複精留塔10は、下部塔11,上部塔12及び主凝縮蒸
発器13からなるもので、上部塔11には粗アルゴン塔14が
付設されている。下部塔11下部に導入された原料空気Ａ
は、周知の液化精留分離装置により、下部塔11底部に酸
素富化の液化空気LA,下部塔11上部に窒素ガスGN,上部塔
12底部の主凝縮蒸発器13部分に液化酸素LO,上部塔12下
部に酸素ガスGO,上部塔12上部に不純窒素ガスWN,同塔12
頂部に高純度窒素ガスGN及び粗アルゴン塔14上部に粗ア
ルゴンARがそれぞれ分離し、各塔から導出される。
まず、下部塔11底部の液化空気LAは、下部塔11から導
出されて過冷器15でさらに冷却された後に一部が減圧弁
16で減圧して上部塔12中段に、残部が減圧弁17で減圧し
て粗アルゴン塔14の凝縮器18部分を介して上部塔12中段
にそれぞれ導入される。下部塔11上部の窒素ガスGNは、
一部が主凝縮蒸発器13で液化して液化窒素LNとなり、残
部の窒素ガスGNは、導管19から主熱交換器９に導入され
て温度回復した後に圧縮機20、膨張タービン制動ブロワ
ー21,21、冷却器22,22、膨張タービン23,23、熱交換器2
4,24等を備えた窒素循環系統25に導入されて装置の運転
に必要な寒冷を発生し、再び下部塔11上部に導管26から
導入される。また、前記液化窒素LNは、一部が導管27か
ら過冷器15を経て上部塔頂部へ還流液として導入される
とともに製品液化窒素PLNとして採取され、残部が下部
塔11の還流液となる。
一方、上部塔12の底部の液化酸素LOは、導管28に導出
され、過冷器15を経て製品液化酸素PLOとして採取され
る。上部塔12下部の酸素ガスGOは、導管29に導出され、
主熱交換器８で常温まで温度回復した後に、製品酸素ガ
スPGOとして採取され、製品として余剰分の酸素ガスGO
は、導管30から大気に放出される。上部塔12頂部の高純
度窒素ガスGN及び同塔12上部の不純窒素ガスWNは、導管
39,31に導出されて過冷器15の冷却源となり、次いで主
熱交換器８で常温まで温度回復して製品高純度窒素ガス
PGN及び排ガスWGとなり、排ガスWGは冷水塔５の冷却原
及び吸着器７の再生用に用いられる。
ここで、排ガスWGによる冷却水CWの冷却は、排ガスWG
を冷却塔５の下部から吹き上げるとともに、冷却水CWを
上部から降すことにより行われる。約30℃で冷水塔５上
部に導入された冷却水は、低温で乾燥した排ガスWGと接
触することにより、約10℃に降温して冷水塔５下部から
導出され、水洗冷却塔４に供給される。また、排ガスWG
による吸着器７の再生は、排ガスWGを加熱器32で加熱し
て吸着器７内を逆流させ、吸着剤の加熱脱着を行う工程
と、低温の排ガスWGを吸着器７に導入して吸着剤を冷却
する工程とを、弁33,33、切替弁群6,6を切り替え開閉す
ることにより行われる。
また、前記粗アルゴン塔14下部には、上部塔12中段の
ガスが導入されて精留され、アルゴンを粗アルゴン塔14
上部に濃縮し、底部に分離する液化ガスを上部塔12中段
に戻している。粗アルゴン塔14上部の粗アルゴンARは、
導管34に導出されて主熱交換器８で常温まで温度回復し
た後に次工程に送出される。
さらに下部塔11中段からは、窒素富化液化ガスが導管
35に導出され、過冷器15,減圧弁36を経た後に上部塔12
の還流液として上部塔12頂部に導入されている。
そして本発明においては、前記上部塔12下部の酸素ガ
スGOを導出して採取する酸素ガス採取系統を構成する導
管29と、前記上部塔12頂部の不純窒素ガスWNを導出して
排出する排ガス系統を構成する導管31とを接続する合流
回路37を設けている。この合流回路37は、導管29内を流
れる酸素ガスGOを、導管31内を流れる不純窒素ガスWNに
合流させる合流回路を構成するもので、該合流回路37に
は、酸素ガスGOの合流量を調節する調節弁38が設けられ
ている。
このように空気液化分離装置１を構成することによ
り、主として液化窒素LNを製出する運転モードに切替え
たときに、上部塔12内組成を一定に保つために抜出され
る余剰の酸素ガスGOを、前記合流回路37を介して排ガス
系統に合流させることができる。従って、冷水塔５の冷
却源や吸着器７の再生用として必要な排ガス量を常に確
保することができ、冷却水冷却用の冷凍機を設置する必
要がなくなり、設備費の低減とともに冷凍機の動力費も
削減できる。さらに、前記酸素ガスGOと不純窒素ガスWN
との合流を、前記主熱交換器８の冷端側で行うことによ
り、主熱交換器８の酸素ガス通路を通過する酸素ガス量
の変動幅を低減でき、最大流量を少なくできるので、酸
素ガス通路を従来より小さくでき、主熱交換器８の小型
化も図ることができる。
本発明者の試算の結果によれば、例えば原料空気量16
700Nm3/hの装置において、酸素ガス1200Nm3/h,液化酸素
2175Nm3/h,窒素ガス300Nm3/h,液化窒素100Nm3/h,粗アル
ゴンガス132Nm3/hを製出する主として液化窒素を製出す
る運転モードと、酸素ガス1200Nm3/h,液化酸素100Nm3/
h,窒素ガス300Nm3/h,液化窒素2200Nm3/h,粗アルゴンガ
ス95Nm3/hを製出する主として液化窒素を製出する運転
モードとに切替える場合、主として液化酸素を製出する
運転モードの時に上部塔頂部から排出される不純窒素ガ
スの量は1200Nm3/hであり、主として液化窒素を製出す
る運転モードの時の不純窒素ガスの量は10350Nm3/hとな
る。従って、主として液化窒素を製出する運転モードの
時に、上部塔から抜出される余剰の酸素ガス（この運転
モードでは液化酸素製出運転モードでの液化酸素の大部
分が余剰酸素ガスとして放出される）の内、1650Nm3/h
を排ガス系統に合流させることにより、両運転モードに
おける排ガス量を一定にすることができる。
これにより、原料空気16700Nm3/hを40℃から15℃に予
冷するために必要な8600kg/hの冷却水を常時30℃から10
℃に冷却することができる。また、不純窒素ガス中に酸
素ガスを合流させて冷却水の冷却や吸着器の再生、特に
吸着器の加熱脱着時に100℃以上に加熱して用いるが、
通常、精留塔から排出される不純窒素ガスの20％以下の
酸素ガスを合流させれば十分な排ガス量を得られるの
で、合流後の排ガス中の酸素濃度は大気組成以下であ
り、保安上の問題は全くない。
尚、酸素ガスを合流させない状態の排ガス量10350Nm3
/hの場合には、冷却水を12℃までしか冷却することがで
きないため、冷凍機（チリングユニット）を設置して冷
却水の冷却を行う必要がある。このとき、8600kg/hの冷
却水を12℃から10℃まで冷却するために要する熱量は、
17200kcal/hとなるから、冷凍機の所要動力として約5kw
/hを必要とする。
また、更に排ガスWGが不足し、製品窒素ガスPGNの需
要量が少なく、供給量に余裕がある場合に、アルゴン収
率の低下をもたらすことなく排ガス量を維持するために
窒素ガスGN用導管39と排ガスWN用導管31を接続する導管
40又は導管42を設け、この導管40,42に介在させた弁41
又は弁43を調節して窒素ガスGNを排ガスWNに混入させて
も良い。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明の空気液化分離方法及び
装置は、主として液化窒素を製出する運転モードの時
に、寒冷バランス上及びアルゴン収率低下防止上、ガス
酸素として上部塔から抜出される余剰の酸素ガスを排ガ
スに合流させるから、冷却水の冷却や吸着器の再生に必
要な排ガス量を常時確保することができ、冷凍機等の冷
却補助設備を不要とすることができる。これにより、冷
凍機等の設備費及び動力費が低減でき、製品の動力原単
位を低減することができる。さらに、酸素ガスと排ガス
との合流を、主熱交換器の冷端側で行うことにより、酸
素ガス通路を従来より小さくでき、主熱交換器の小型化
も図ることができる。
【図面の簡単な説明】
図は本発明の一実施例を示す空気液化分離装置の系統図
である。 １……空気液化分離装置、４……水洗冷却塔、５……冷
水塔、７……吸着器、８……主熱交換器、10……複精留
塔、14……粗アルゴン塔、25……窒素循環系統、32……
加熱器、37……合流回路、38……調節弁、Ａ……原料空
気、AR……粗アルゴン、CW……冷却水、GO……酸素ガ
ス、PGO……製品酸素ガス、PLN……製品液化窒素、PLO
……製品液化酸素、WN……不純窒素ガス、WG……排ガス

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】圧縮されて昇温した原料空気を水洗冷却塔
    で予冷し、次いで吸着剤を充填した吸着器で精製した後
    に主熱交換器で冷却して精留塔に導入し、原料空気を液
    化精留分離して酸素ガス，液化酸素，液化窒素，アルゴ
    ン等を製出し、前記精留塔から排出される排ガスで前記
    水洗冷却塔に導入する冷却水の冷却及び前記吸着器の再
    生を行うとともに、主として液化酸素を製出する運転モ
    ードと主として液化窒素を製出する運転モードとを需要
    に応じて切り替え運転する空気液化分離方法において、
    主として液化窒素を製出する際に余剰となる酸素ガスを
    精留塔から導出して、前記排ガスに合流させることを特
    徴とする空気液化分離方法
  2. 【請求項２】前記酸素ガスと排ガスとの合流を、前記主
    熱交換器の冷端側で行うことを特徴とする請求項１記載
    の空気液化分離方法。
  3. 【請求項３】圧縮昇温後の原料空気を予冷する水洗冷却
    塔と、原料空気の精製を行う吸着器と、原料空気を冷却
    する主熱交換器と、原料空気を液化精留分離して酸素ガ
    ス，液化酸素，液化窒素，アルゴン等を製出する精留塔
    とを備えるとともに、前記精留塔から排出される排ガス
    で前記水洗冷却塔に導入する冷却水の冷却及び前記吸着
    器の再生を行う排ガス系統を備えた空気液化分離装置に
    おいて、前記精留塔から製出する酸素ガスを採取する酸
    素ガス採取系統に、該系統内の酸素ガスを排ガス系統に
    合流させる合流回路を設けたことを特徴とする空気液化
    分離装置。
  4. 【請求項４】前記合流回路を主熱交換器の冷端側に設け
    たことを特徴とする請求項３記載の空気液化分離装置。
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