JP2913315B2 - 空気液化分離装置及びその運転方法 - Google Patents

空気液化分離装置及びその運転方法

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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、空気液化分離装置及びその運転方法に関
し、特に液製品採取専用あるいは主として液製品を採取
するための空気液化分離装置及びその運転方法に関す
る。
〔従来の技術〕
第４図に主として液製品（液化酸素，液化窒素，液化
アルゴン等）を採取する空気液化分離装置のブロック図
を、第５図に吸着設備の回路図を、第６図にこの種の空
気液化分離装置の一般的な運転パターンを示す。
主として液製品を採取する空気液化分離装置は、原料
空気GAを所定圧力に圧縮する圧縮機１と、原料空気中の
水分，炭酸ガス等の不純物を除去して精製する吸着器を
備えた吸着設備２と、熱交換器，精留塔，凝縮器等を備
え、精製後の原料空気を冷却して液化精留し、液化酸素
LO,液化窒素LN,液化アルゴンLAr等の液製品や酸素ガスG
N,窒素ガスGN,アスゴンガスGAr等のガス製品を分離製出
する液化精留装置３と、該液化精留装置３で得られた液
製品を貯留する製品液貯槽４と、液化ガスを生産するた
めに必要な寒冷を液化精留装置３に供給するための寒冷
供給装置５とから構成されている。
通常の吸着設備２は、第５図に示すように、それぞれ
の内部に所定の吸着剤を充填した２基の吸着器A,Bを多
数の弁で接続し、該弁を切替開閉することにより、両吸
着器A,Bを吸着工程と再生工程とに切替えるように構成
されている。例えば一方の吸着器Ａが吸着工程、他方の
吸着器Ｂが再生工程にある場合、吸着器Ａにおいては、
圧縮機１で圧縮された原料空気GAが供給主管11から人工
弁12a,人工管13aを経て吸着器Ａに導入され、精製され
た後に出口管14aに導出されて出口弁15a,導管16を経て
液化精留装置３に供給される。
吸着工程が終了した後の吸着器Ａの再生工程は、液化
精留装置３から導出される排ガスＷの一部を再生ガスと
して用いて行われる。この再生工程は、加熱した再生ガ
スを流通しながら吸着器Ａ内に充填された吸着剤を加熱
して吸着物質の脱着をする加熱脱着工程と、吸着剤を吸
着温度まで冷却する冷却工程とにより行われる。まず加
熱脱着工程は、再生ガス供給管20から供給される再生ガ
スを加熱器21に導入して加熱し、加熱後の再生ガスを加
熱弁22,導管23,逆止弁24aを介して出口管14aから吸着器
Ａに逆方向に導入することにより行われる。加熱昇温に
より吸着剤から脱着された炭酸ガスや水分は、再生ガス
に同伴されて入口管13aから再生弁25a,排気管26を経て
大気に放出される。加熱脱着工程終了後は、再生ガスを
加熱器21を通さずに導管27,予冷弁28を通して常温乃至
低温状態で吸着器Ａに流通し、吸着剤を吸着操作温度ま
で冷却する。この吸着器Ａの再生工程時には、他方の吸
着器Ｂが吸着工程にあり、原料空気の精製を連続的に行
っている。尚、吸着器Ｂに関連する弁には、吸着器Ａ側
の対応する符号に「ｂ」を付して図示し、詳細な説明を
省略する。
また、吸着器を吸着工程に切替える直前には、均圧弁
17を開いて吸着器内の圧力を吸着操作圧力にする均圧操
作が行われ、吸着器を再生する直前には、器内圧力を開
放するために対応するブロー弁29a,29bが開かれる。
従来の吸着設備２では、例えば第６図に示すように吸
着工程の時間を８時間とすると、上記再生工程の時間も
８時間として16時間で１サイクルの切替時間とし、吸着
工程と再生工程を連続的に切替えていた。
一方、液化精留装置３と寒冷供給装置５は、昼夜間の
電力料金の差による低コスト化を図るとともに、例えば
工場全体の電力使用量の平均化を図るため、電力消費量
の大きい寒冷供給装置５は夜間のみの運転として昼間は
液化精留装置３のみを運転し、昼間の装置の運転に必要
な寒冷は、製品液貯槽に貯留されている液化ガス、主と
して液化窒素LNを液化精留装置３に注入することで賄っ
ていた。例えば、夜間に寒冷供給装置５を能力一杯に運
転し、製品として必要な量以上の液化窒素LNを生産して
液化窒素貯槽に貯留し、昼間はこの液化窒素LNを液化精
留装置３に注入して寒冷補給を行い、液化酸素LOや液化
アルゴンLArを振替生産していた。
また、液製品の需要が多い場合には、昼間の時間帯に
寒冷供給装置５を停止させずに減量運転を行い、液注入
量に見合う程度の液化ガスを生産することが行われてい
る。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、上述の運転方法では、切替使用される
吸着器A,Bの一方が必ず再生工程にあるため、吸着器A,B
の再生に用いる再生ガスが常時必要である。従って、夜
間に寒冷供給装置５を能力一杯に運転しても、原料空気
量から再生ガス量を差引いた残りだけしか液製品を得る
ことができなかった。即ち、吸着器の再生ガスとして用
いる再生ガスが原料空気量に対して通常15〜20％必要な
ので、夜間に装置をフル運転しても原料空気の80〜85％
しか液製品として採取することができない。
一方、昼間は寒冷供給装置５からの液化ガス注入量に
見合う分の他の液化ガスを振替生産する状態であるか
ら、原料空気量と略当量の排ガス等の分離ガスが液化精
留装置３から導出されるが、上記再生ガスとして必要な
量以上（原料空気量の80〜85％）の分離ガスが大気に放
出されている。
また、昼間に寒冷供給装置５を減量運転して液化ガス
を生産する場合には、放出ガスの割合は減るものの、原
料空気に対する放出量は未だ50％以上であり、無駄に放
出される量が多く不経済な運転を行っているのが実情で
ある。
そこで本発明は、寒冷供給装置の停止時に無駄に放出
されていた分離ガスを有効に利用し、寒冷供給装置の運
転時に原料空気の略全量を液製品として採取でき、製品
の収率向上やエネルギーコストの低減を図ることのでき
る空気液化分離装置及びその運転方法を提供することを
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、本発明は、原料空気
中の水分，炭酸ガス等の不純物を除去する吸着器を複数
基備え、該複数の吸着器を吸着工程と再生工程とに切替
えて使用する吸着設備を備えるとともに、原料空気を液
化精留分離して得られた分離ガスを液化して装置運転に
必要な寒冷を供給する寒冷供給装置を備えた空気液化分
離装置において、前記吸着設備が寒冷供給装置の停止時
のみ再生工程を行い、寒冷供給装置の運転時には、吸着
工程及び／又は待機工程であることを特徴とする空気液
化分離装置を提供するとともに、上記空気液化分離装置
の運転方法において、前記寒冷供給装置は間欠運転を行
い、該寒冷供給装置の運転停止時のみ前記吸着器の再生
工程を行うことを特徴とする空気液化分離装置の運転方
法、及び前記寒冷供給装置の運転停止を、電力料金の高
価な時間帯に設定することを特徴とする空気液化分離装
置の運転方法を提供するものである。
さらに上記空気液化分離装置において、前記吸着設備
として、吸着器の再生工程時間が吸着器の吸着工程切替
時間より短い吸着設備を用い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の運転方法は、３基
以上の吸着器を設置し、該吸着器の再生工程時に、空気
液化分離装置の製品採取量を減少もしくは零として該吸
着器の再生ガス量を増量し、吸着器の再生工程時に２基
以上の吸着器の再生を同時に行い、吸着工程では１基又
は最小限の吸着器を稼働させて残余の吸着器を待機状態
にするとともに、該吸着器が再生を行っていない時に空
気液化分離装置の製品採取量を増量することを特徴と
し、特に前記吸着器の待機状態を、電力料金の安価な時
間帯に設定することを特徴としている。
〔作用〕
本発明装置では、吸着器の再生工程時間が吸着工程切
替時間よりも短い吸着設備を用いて再生ガスを必要とし
ない時間帯を設定し、吸着器の再生工程を寒冷供給装置
の停止時のみ行うようにすることにより、寒冷供給装置
の運転時には、再生ガスとして放出していた量に相当す
る分まで製品として採取することが可能となり、製品収
率を向上させることができる。尚、再生工程時間の短縮
は、再生ガスを増量することや再生温度を高めることな
どにより行うことができる。
また、本発明方法では、寒冷供給装置の間欠運転と吸
着器の再生工程とを対応させ、吸着器の再生時に製品採
取量を減少させて、この分を吸着器の再生ガスとして用
い、大量の再生ガスにより吸着器を短時間で再生するこ
とにより、再生時間を短縮でき、再生工程にある吸着器
を再生ガスが不要な待機状態にできる。また、吸着器を
３基以上設置し、再生工程を２基以上同時に行い、吸着
工程時に最小限の吸着塔を稼働させるとともに他の吸着
塔を待機状態とすることにより、再生ガスを必要としな
い時間帯を設定できる。上記のような待機状態のとき
に、従来再生ガスとして用いていた分離ガス相当量を寒
冷供給装置で液化し、液化ガスとして採取、貯留するこ
とが可能となり、液化ガスの収率を向上させることがで
きる。特に上記待機状態を電力料金の低廉な夜間に設定
し、電力消費量の大きい寒冷供給装置の運転と合せるこ
とにより、低廉な電力料金で従来より多量の液化ガスを
得られ、該液化ガスの製造コストを低減させることがで
きるとともに、従来放出されていた昼間の分離ガスを吸
着器の再生ガスとして用いるので、分離ガスの有効利用
が図れる。
〔実施例〕
以下、本発明を図面に示す一実施例に基づいて、さら
に詳細に説明する。尚、装置構成や各種気液の流れは従
来の空気液化分離装置と略同様であるため、詳細な図示
及び説明は省略する。
まず空気液化分離装置は、前記第４図に示した従来装
置と同様に、圧縮機１で圧縮した原料空気GAを吸着設備
２で精製した後に液化精留装置３に導入して液化精留分
離し、製品液化酸素LO,製品液化窒素LN,製品液化アルゴ
ンLAr等の液製品と、酸素ガスGO,窒素ガスGN,アルゴン
ガスGAr等のガス製品及び排ガスＷに分離する。これら
の液製品及びガス製品は、必要に応じて製品液貯槽やガ
スタンク等に貯留した後にそれぞれの需要先に供給する
ように構成されている。
また、液製品採取専用あるいは主として液製品を採取
する空気液化分離装置では、圧縮機，膨張機，熱交換器
等を備えた周知のガス液化サイクルからなる寒冷供給装
置５が備えられており、分離後の窒素ガスGNの一部もし
くは全部が該寒冷供給装置５に導入されて液化され、製
品液化窒素LN及び液化精留装置３への寒冷供給用の液化
窒素LNが製造されている。
吸着設備２の構成は、前記第５図に示したと同様に、
２基の吸着器A,Bを吸着工程と再生工程とに切替えて原
料空気GAの精製を行うもので、本発明装置では、吸着器
A,Bの再生工程時間が吸着器の吸着工程切替時間（吸着
工程終了から次の吸着工程開始までの時間）より短い吸
着設備を用いる。即ち、再生工程に用いる再生ガスの量
を通常の再生ガス量よりも増量し、あるいは再生ガスの
加熱温度を通常の再生温度よりも高め、吸着剤に吸着さ
れている炭酸ガスや水分等の不純物成分の脱着速度を早
めるとともに、再生ガスの増量や低温再生ガスを用いて
吸着剤の冷却速度を早めることにより、短時間で加熱脱
着工程及び／又は冷却工程を終了するように構成した吸
着設備を使用する。
このように再生工程時間の短い吸着設備を使用するこ
とにより、再生ガスを必要としない時間帯、即ち吸着器
の待機状態を設定できる。これにより、待機状態のとき
に、吸着器A,Bの再生ガスとして利用されていた量に相
当する分離ガスをガス製品あるいは液製品として採取す
ることが可能となる。従って、精留塔の精留段数を多く
して液化精留装置３の分離効率を高め、原料空気GAの略
全量を窒素，酸素，アルゴン等の製品に分離し、これら
を液化して原料空気導入量に相当する量の液製品を得る
ことが可能となる。
第１図は本発明方法を適用した運転パターンの一例を
示すもので、上記構成の空気液化分離装置の液化精留装
置3,寒冷供給装置５及び吸着設備２の両吸着器A,Bの切
替え状態を示している。
まず、液化精留装置３と寒冷供給装置５は、前記従来
設備と略同様に、液化精留装置３は終日休止することな
く連続的に運転され、寒冷供給装置５は電力料金の高価
な昼間は運転を停止し、電力料金の低廉な夜間にのみ稼
働するように設定されている。そして吸着設備２は、両
吸着器A,Bの吸着工程の切替えを夜間運転時間帯と昼間
運転時間帯のそれぞれの中間部で行っている。即ち、一
方の吸着器Ａは昼間から夜間にかけて吸着工程を行い、
他方の吸着器Ｂは夜間から昼間にかけて吸着工程を行う
ように設定し、両吸着器A,Bのそれぞれの吸着工程を行
わない時間帯の内、昼間運転時間帯にかかる部分を再生
工程時間とし、夜間運転時間帯にかかる部分を待機工程
時間としている。
例えば、夜間運転時間帯に吸着工程を終了する吸着器
Ａは、そのまま待機工程に入り、昼間の運転モードとな
り寒冷供給装置５が休止すると同時に再生工程に入る。
また他方の吸着器Ｂは、吸着工程が終了すると同時に再
生工程に入り、昼間運転時間帯中に再生工程を終え、夜
間運転モードとなり寒冷供給装置５が稼働するとともに
待機工程に入る。
従って、夜間運転時間帯は、一方の吸着器Ａが吸着工
程から待機工程、他方の吸着器Ｂが待機工程から吸着工
程に切替わり、昼間運転時間帯は、一方の吸着器Ａが再
生工程から吸着工程、他方の吸着器Ｂが吸着工程から再
生工程に切替わる。
第２図は上記吸着器A,Bの切替えを１日（24時間）の
弁の開閉状態及び加熱器21の作動状態で示したものであ
る。
即ち、吸着器Ａの入口弁12aは12時に開、０時に閉と
なり、吸着器Ａを12時から０時（24時）まで吸着工程と
し、他方の吸着器Ｂの入口弁12bは０時に開、12時に閉
となる。
０時に入口弁12aが閉じて吸着工程を終了し、そのま
ま待機工程にあった吸着器Ａは、５時に再生工程に入
る。まずブロー弁29aが数分間開いて器内圧力を開放
し、次いで加熱器21が作動するとともに加熱弁22と再生
弁25aが開き、加熱再生ガスを吸着器Ａに導入する。７
時に加熱脱着工程が終了すると、加熱器21が停止して加
熱弁22が閉じるとともに予冷弁28が開いて常温の再生ガ
スを吸着器Ａに導入する。この予冷工程は11時に終了し
て予冷弁28が閉じ、次いで均圧弁17が開いて吸着器Ａ内
の充圧を開始する。そして12時になり吸着器A,Bの切替
時間になると均圧弁17が閉じるとともに入口弁12a,12b
の開閉が切替わり、入口弁12aが開いて吸着器Ａが吸着
工程に入る。
このとき吸着工程を終えた吸着器Ｂは、直ちに再生工
程に入り、ブロー弁29bが数分間開いて器内圧力が開放
される。次いで加熱器21が作動するとともに加熱弁22と
再生弁25bが開き、加熱再生ガスを吸着器Ｂに導入す
る。14時に加熱脱着工程が終了すると、加熱器21が停止
して加熱弁22が閉じるとともに予冷弁28が開いて常温の
再生ガスを吸着器Ｂに導入する。この予冷工程は18時に
終了して予冷弁28が閉じ、待機工程に入る。そして23時
になり吸着器A,Bの切替時間が近くなると均圧弁17が開
いて吸着器Ｂ内の充圧を開始し、24時になると均圧弁17
が閉じて入口弁12a,12bの開閉が切替わり、吸着器Ｂが
吸着工程に入る。
第１表は、液製品採取専用装置の１日の内、昼間の運
転モードの時間を14時間、夜間の運転モードを10時間と
し、昼間には80％の減量運転を行うとともに寒冷供給装
置を停止させる運転パターンにおける従来装置と本発明
装置とを比較したものである。尚、吸着器は、吸着工程
12時間、再生工程７時間、待機工程５時間で前記同様に
切替運転される。
第１表に示すように、従来昼間に放出されていた1327
0Nm3/hの内、5000Nm3/hを再生ガスに利用して再生ガス
量を8000Nm3/hとし、大量の再生ガスで吸着器の再生工
程の時間を短縮して夜間に待機工程を設定できるように
している。これにより、夜間の再生ガスが不要となり、
夜間の寒冷供給装置の液化能力を上げて製品採取量を29
00Nm3/h増量できる。従って、夜間の電力消費量が1570k
wを増すものの製品の電力原単位は減少し、特に夜間の
低廉な電力を利用していることにより、トータルでの大
幅なコストダウンを図ることができる。
また、第２表は、液製品の需要が多く、昼間に減量運
転を行わず、液化酸素や液化アルゴンの採取に必要な液
化窒素相当分を得られるように寒冷供給装置を減量運転
する装置で比較したものである。
この比較においても、夜間の製品採取量を増量する
分、製品の電力原単位を低減でき、従来装置よりも低コ
ストで液製品を採取できることがわかる。
尚、上記比較は液製品採取専用の空気液化分離装置で
あるが、主として液製品を採取し、並行してガス製品を
採取する装置においても略同様の結果を得ることができ
る。
また、第３図は吸着設備に３基の吸着器A,B,Cを配設
し、３基を吸着工程，再生工程，待機工程に順次切替え
て運転する場合の運転パターンを示している。
即ち、液化精留装置は終日休止することなく連続的に
運転され、寒冷供給装置は電力料金の低廉な夜間にのみ
稼働するように設定されている。そして吸着設備は、各
吸着器A,B,Cの吸着工程を12時間、再生工程も12時間と
し、寒冷供給装置の停止時に２基の吸着器を同時に再生
するようにし、夜間は２基の吸着器を共に待機工程にす
るように設定している。
このように構成することにより、吸着器の再生工程に
おける再生ガス量や加熱器の能力を従来と同一に設定で
きる。例えば前記第１表に示した例にこの３基切替式吸
着設備を適用した場合、従来放出されていた分離ガスの
内の3000Nm3/hを増設された吸着器の再生ガスに振向け
ればよい。この３基切替式の吸着設備を採用すると、各
吸着器の設計諸元を従来と略同じにでき、再生工程時間
短縮のための実験や確認作業等が不要となり、従来装置
の実績でそのまま製作することが可能となる。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明の空気液化分離装置は、
吸着設備が寒冷供給装置の停止時のみ再生工程を行い、
寒冷供給装置の運転時には、吸着工程及び／又は待機工
程であるから、吸着設備において再生ガスを必要としな
い時間帯を設定できる。
これにより、再生ガスとして放出していた量に相当す
る分まで製品として採取することが可能となり、製品収
率を向上させて液製品の電力原単位を低減することがで
きる。
また、本発明の方法は、寒冷供給装置の間欠運転と吸
着器の再生工程とを対応させ、吸着器の再生工程時に吸
着器の再生ガス量を増量し、該吸着器の再生工程を短い
時間で終了させて残余の時間を待機状態にするか、又は
吸着器を３基以上設置し、最低基数の吸着器を吸着工
程、残余の複数基の吸着器を再生工程あるいは待機工程
とするとともに、該吸着器が待機状態の時に空気液化分
離装置の製品採取量を増量するようにしたので、再生ガ
スとして放出されていた分を各種製品として、特に寒冷
供給装置で液化することにより、原料空気のほとんどを
液製品として採取することが可能となる。
特に前記吸着器の待機状態を電力料金の低廉な夜間に
設定することにより、液製品を得るための寒冷供給設備
の電力料金を大幅に低減でき、液製品の原単位を大幅に
低減することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は空気液化分離装置の運転パターンの一実施例を
示す図、第２図は吸着設備の弁の開閉状態及び加熱器の
作動状態の一実施例を示す図、第３図は３基の吸着器を
配置した空気液化分離装置の運転パターンの一実施例を
示す図、第４図は主として液製品を採取する空気液化分
離装置のブロック図、第５図は一般的な２基の吸着器を
切替使用する吸着設備の系統図、第６図は従来の空気液
化分離装置の運転パターンを示す図である。 １……圧縮機、２……吸着設備、３……液化精留装置、
４……製品液貯槽、５……寒冷供給装置、11……供給主
管、12a,12b……入口弁、13a,13b……入口管、14a,14b
……出口管、15a,15b……出口弁、16……導管、17……
均圧弁、20……再生ガス供給管、21……加熱器、22……
加熱弁、23……導管、24a,24b……逆止弁、25a,25b……
再生弁、26……排気管、27……導管、28……予冷弁、29
a,29b……ブロー弁、A,B……吸着器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F25J 1/00 - 5/00 B01D 53/04

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】原料空気中の水分，炭酸ガス等の不純物を
    除去する吸着器を複数基備え、該複数の吸着器を吸着工
    程と再生工程とに切替えて使用する吸着設備を備えると
    ともに、原料空気を液化精留分離して得られた分離ガス
    を液化して装置運転に必要な寒冷を供給する寒冷供給装
    置を備えた空気液化分離装置において、前記吸着設備が
    寒冷供給装置の停止時のみ再生工程を行い、寒冷供給装
    置の運転時には、吸着工程及び／又は待機工程であるこ
    とを特徴とする空気液化分離装置。
  2. 【請求項２】原料空気中の水分，炭酸ガス等の不純物を
    除去する吸着器を複数基備え、該複数の吸着器を吸着工
    程と再生工程とに切替えて使用する吸着設備を備えると
    ともに、原料空気を液化精留分離して得られた分離ガス
    を液化して装置運転に必要な寒冷を供給する寒冷供給装
    置を備えた空気液化分離装置の運転方法において、前記
    寒冷供給装置は間欠運転を行い、該寒冷供給装置の運転
    停止時のみ前記吸着器の再生工程を行うことを特徴とす
    る空気液化分離装置の運転方法。
  3. 【請求項３】前記寒冷供給装置の運転停止を、電力料金
    の高価な時間帯に設定することを特徴とする請求項２記
    載の空気液化分離装置の運転方法。
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