JP3048373B2 - 空気の低温分離方法及び装置 - Google Patents

空気の低温分離方法及び装置

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JP3048373B2 JP2107706A JP10770690A JP3048373B2 JP 3048373 B2 JP3048373 B2 JP 3048373B2 JP 2107706 A JP2107706 A JP 2107706A JP 10770690 A JP10770690 A JP 10770690A JP 3048373 B2 JP3048373 B2 JP 3048373B2
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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、空気を圧縮し、予備浄化し、冷却し、２段
精溜塔の高圧段にて酸素に富んだ液状成分及び窒素成分
に予備分離し、前記酸素に富んだ液状成分を前記高圧段
と熱交換を行うように連結された精溜塔の低圧段に導入
して更に酸素成分及び窒素成分に分離し、又酸素の要求
量が大なる場合に酸素を酸素タンクから取り出し、酸素
の要求量が少ない場合に前記低圧段からの液状酸素を前
記酸素タンクに導入するようになされた可変的な量で酸
素の製造を行う空気の低温分離方法及び装置に関するも
のである。
〔従来の技術〕
種々の工業分野において、酸素の要求量は分、時間ま
たは日の時間単位で大なる変動を受けるのである。低温
空気分離装置の作動の慣性のために短時間内での導入量
の変化及び精溜塔における交換量（Umsatz）の同時の変
化にこのような装置を適応させることは不経済である。
更に、このような方法は分離作業に対して不具合な影響
を与える。
他方において、過剰の酸素を高圧ガス容器に貯蔵し、
要求量が増大したときにこれを再度取り出すことも同様
に不具合である。この目的のためには大きい高圧ガス容
器及び付加的な圧縮エネルギーが必要である。
このように理由で、分離生成物を液体の状態で精溜塔
から取り出して液体タンクに貯蔵するような融通性のあ
る酸素製造方法が開発された。酸素及び窒素のためのそ
れぞれの容器を使用するこのような方法は「技術及び経
済」のリンデ報告第54/1984号、第18乃至20頁によって
知られている。
前述の方法においては、導入される空気量により装置
が発生するよりも多量のガス状酸素が必要なときには低
圧段の底部に酸素タンクからの酸素タンクからの液状酸
素を導入し、こゝで高圧段の頭部における高圧窒素との
熱交換により蒸発されるようになされている。窒素はこ
の熱交換の際に液化され、高圧段から取り出されて窒素
タンクに貯蔵されるのである。発生されるガス状酸素が
過剰の場合には、貯蔵される液状窒素が低圧段の戻し流
として得られ、過剰の酸素が低圧段の底部から液状で取
り出されて酸素タンクに貯蔵されるのである。
２つの液体タンクにより交代的貯蔵を行う公知の方法
においては、分離された空気量は常に一定に保持され
る。これによって高圧段においても、又低圧段において
も精溜塔の定常的な稼働が得られるのである。
しかし、酸素の要求量が大きいときには、低圧段の底
部の液体酸素が蒸発され、引き続いてガス状生成物とし
て取り出され得るようにするために、高圧段の頭部でガ
ス状の窒素が得られることが必要である。このような理
由によって通常の負荷の場合には、或る量のガス状の高
圧窒素が取り出されて一定の精溜塔の交換量を保持でき
るようにしなければならないのである。この通常負荷の
稼働の場合に取り出される高圧窒素量は、窒素の要求量
が大きい場合に酸素の蒸発のために利用できる。しか
し、これは精溜に影響しない。何故ならば、一方では高
圧段の頭部で液化された窒素及び他方では低圧段の底部
から蒸発する酸素が直ちに引き出されてそれぞれの精溜
塔における交換量には関与しないからである。付加的に
生ずる液状窒素は窒素タンクに貯蔵され、蒸発された酸
素が所望の付加的生成物となるのである。
付加的に取り出される酸素、従って生成物の量の変動
幅は通常負荷にてガス状で取り出される高圧窒素の量に
よって調節される。高圧段で発生される窒素のこの部分
は基本的には低圧段には与えられないで、ガス状生成物
としてこの処理工程から直接取り出されるか（通常負荷
及び低い酸素要求量の場合）、或は窒素タンクに中間的
に貯蔵することによってこの処理工程から取り出される
（酸素の必要量が大なる場合）のである。従って、瞬間
的に生ずる負荷に無関係にこの窒素量は低圧段に対する
戻し流としては使用されないのである。
このような戻し流のないことは精溜塔に対して低圧段
にて不具合に働く。この影響は、空気の分離引き続いて
アルゴンが回収されなければならない場合に特に不利で
ある。この目的のために低圧段にて大なるアルゴン濃度
の位置、所謂アルゴン腹部（Argonbauch）に開口が作ら
れる。このアルゴン腹部の構造は戻し流の比率に強く関
係する。この位置におけるアルゴン濃度、同様にそれに
よるアルゴンの回収可能な量は、高圧段にて発生される
窒素の全量が低圧段に液状で導かれない場合に低下す
る。従って、低圧段における精溜比率及び特に可変量酸
素回収の従来公知の方法におけるアルゴンの収量は満足
なものではなく、酸素製造の変動幅が大きく調節される
ほど益々甚だしくなるのである。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明の目的は、従来よりも更に好都合な収量を有
し、特に製造されるアルゴン精溜を有する場合に可変量
酸素回収を可能になす方法を発展させることである。
〔課題を解決するための手段〕
上述の目的は、酸素要求量が大きい場合に酸素に富ん
だ液体成分の少ない一部分を液体タンクに導入してこゝ
に貯蔵し、酸素要求量が少ない場合に再度これを取り出
すようになすことによって解決される。高圧段の底部液
体の本発明による中間的貯蔵は、一方では高圧段及び低
圧段の戻し流比率及び低圧段における交換量が一定の保
持でき、他方では通常負荷にて高圧段に発生される全体
の窒素が液状で取り出されて低圧段に導入されることが
できるような装置の稼働態様を可能になすのである。こ
れによって低圧精溜に対する戻し流の最良の量を得るこ
とができ、最大限に可能なアルゴン濃度が得られるので
ある。
このことは、本発明によって、高圧段の内部の流量率
を増大させることにより低圧段において必要な酸素を追
加的に蒸発させることによって達成される。この場合に
生ずる多量の底部液体の量は付加的に液体空気タンクに
貯蔵されることができ、又酸素要求量が少ない場合には
これを低圧段に供給するために再度利用できるのであ
る。高圧段の頭部にて蒸発酸素に対する熱交換で付加的
に液化される窒素は、公知の方法におけると同様に窒素
タンクに排出されるのである。
この目的のために、本発明の更に他の特徴によって、
酸素要求量が大きい場合には導入される空気量が増加さ
れる。このことは精溜塔の交換量を所望のように増大さ
せ、従って付加的に酸素タンクから低圧段の底部に導入
される液体の蒸発を増加させるのである。これに反して
酸素要求量が少ない場合には空気の導入量が絞られて液
体空気タンク及び窒素タンクからの液体が取り出されて
低圧段の交換量を一定に保持するようになされるのであ
る。高圧段の頭部における交換量が少ないことによって
低圧段生ずる酸素の蒸発される部分が少なくなる。対応
する量が液状で引き出され、酸素タンクに貯蔵されるの
である。
本発明による方法は有利に、製造される酸素量が変動
する場合に戻し流比率及び低圧段の交換量が一定に保持
されるように制御されるのである。高圧段においても同
様に戻し流比率が一定に保持される。
酸素及び窒素と共にアルゴンを収得するために、低圧
段の中間範囲からアルゴン含有酸素成分が取り出され
て、粗製アルゴン精溜塔にて粗製アルゴン及び残余成分
に分離されることができる。この場合、本発明による方
法によって、特に大なるアルゴンの収量、従って甚だ経
済的な方法の実施が可能になるのである。
本発明は更に上述の方法を実施する装置に関するが、
この装置は、共通の凝縮器／蒸発器を有する高圧段及び
低圧段よりなる２段精溜塔、窒素導管によって高圧及び
低圧段に連結される酸素タンク及び酸素導管によって低
圧段に連結された酸素タンクを有する。本発明による装
置は、液体空気タンク、高圧段の底部及び液体空気タン
クの間の第１の流体導管及び液体空気タンク及び低圧段
を連結する第２の液体導管を有することを特徴とする。
本発明の方法による上述の装置を制御するために、種
々のパラメーターが測定されなければならない。この目
的のために、この装置が高圧及び低圧段の底部液体の状
態の測定装置、高圧段及び窒素タンクの間の窒素導管内
の流量測定装置、液体空気導管、酸素導管及び窒素導管
内の流量を制御するための絞り装置及びこれらの測定装
置に連結されて絞り装置を制御する調整装置を有するの
が有利である。
〔実施例〕
本発明及び本発明の更に詳細な事項は以下において実
施例につき詳細に説明される。
図面は概略的に本発明による方法の１つの実施態様を
示している。
空気は空気圧縮機１によって吸引され、引き続いて予
備冷却及び予備浄化（２）され、導管３によって主熱交
換器４を通して導かれ、この熱交換器内で空気が生成ガ
スと向流状態で冷却される。70乃至95％、望ましくは88
％の空気が主熱交換器４の低温端部に導かれて導管５に
よって95乃至105Kの温度及び４乃至８バールの圧力にて
２段精溜塔９の高圧段10に供給される。
空気の残余の部分は130乃至190Kの温度で導管６を経
て主熱交換器４の中間から排出され、膨張タービン７に
て2.0乃至1.1バールの圧力まで膨張され、精溜塔９の低
圧段11に導入される。
高圧段10内では導管５を経て導入された空気が液体窒
素及び酸素に富んだ底部液体に分離される。両方の成分
は液状で取り出されるが、窒素は導管14を経て、底部液
体は導管12を経て液状で取り出されるのである。窒素は
弁134によって膨張されて窒素タンク35に供給され、液
状の窒素が１乃至６バールの圧力で貯蔵される。この液
体は少なくとも一部分導管37を経て更に導かれ、熱交換
器23にて過冷却されて導管15を経て低圧段11の頭部に導
入される。
導管12内の底部液体は同様に膨張（弁132）されて窒
素タンク35と同様の圧力状態の液体空気タンク40に導入
される。このタンク40からは導管42を経て液体が取り出
され、熱交換器23にて冷却されて導管13bを経て低圧段1
1に導入される。ここにおいて、高圧段10からの酸素に
富んだ液体は更に分離されるのである。
主生成物として低圧段11から底部の上方でガス状酸素
が導管16を経て取り出され、主熱交換器４にて殆ど大気
温度まで加熱（導管19）される。副生成物として生ずる
窒素は、高圧段10或いはタンク35、40から得られた液状
の成分37及び42を熱交換器23において加熱されて、導管
18を経て頭部から取り出される。こゝで更に実質的に大
気温度まで加熱されるのである。
導管30を経てポンプ31により液状の酸素が低圧段11の
底部から引き出されて酸素タンク32に導入される。酸素
タンク32からの液体が導管34を得て反対に低圧段11に供
給されることが出来る。
低圧段11から、比較的高いアルゴン濃度を有する位
置、即ち「アルゴン腹部」にて導管20を経てアルゴンに
富んだ酸素成分が引き出されて粗製アルゴン精溜塔１に
導入され、こゝで導管22により粗製アルゴン精溜塔21の
頭部から引き出される粗製アルゴンおよび導管20を経て
低圧段11に戻される液状の残余成分に分離される。
粗製アルゴン精溜塔21の頭部は、高圧段10の底部から
生じ次いで液体又は液体空気タンク40から生じる液体に
よって冷却される。この目的のために、導管42から副導
管24が分岐され、粗製精溜塔21の頭部凝縮器42に導かれ
ている。こゝで蒸発された酸素に富んだ空気は導管46を
経て排出されて導管13aを経て液状の成分（導管13b）の
供給位置よりも若干下方で低圧段11内に導入されるので
ある。
以下において、如何にしてこの実施例の方法にて本発
明による負荷交代方法が行われるかを説明する。このた
めに例示的に通常負荷から増大された酸素製造量への切
り替えが説明される。
導管16を経て取り出される酸素量が増大する場合には
空気圧縮機１に増大された流量が設定される。この流量
は空気圧縮機１に連結された（破線により示された導管
により）測定装置125によって監視される。
導管６によって膨張タービン７を経て低圧段11に導か
れる流量は実質的に一定に保持され、その際、測定装置
127によって指示される値により膨張タービン７を通る
流量が制御されるのである（図面の破線を参照）。
従って空気圧縮機１によって付加的に吸引される空気
量は実際上完全に高圧段10に導入され、こゝで精溜塔の
交換量を増大させるのである。例えば25％だけ増大され
たガス状の生成酸素量を取り出すためには全体の空気量
は約6.8％だけ増大されなければならない。
このような付加的な空気量に対応して増大された液体
が導管14及び12を経て引き出されなければならない。こ
の状態は、制御弁132、134と共に導管14の測定装置124
及び高圧段10の液体の状態を調整するための測定装置12
2によって調整されるのである。導管15及び13bを経て供
給される液体量は一定に保持されるのである（流量測定
装置127、128）。高圧段からの過剰の液体は窒素タンク
35又は液体空気タンク40に貯蔵される。
高圧段10の交換量が増大されることは低圧段11の底部
への凝縮器／蒸発器48を通る熱の導入を増大させる。付
加的に蒸発される酸素は導管16を経て増大された生成量
として排出されることが出来る。この状態は導管17の流
量測定装置126及び弁136によって調整される。低圧段11
内の精溜を正しく保持するために、付加的に取り出され
る酸素ガスに対応する量の液状の酸素が酸素タンク32か
ら取り出される（導管34）。液状の酸素の補充は低圧段
11の底部の液体状態測定装置123及び弁133によって調整
される。
平均値よりも少ない量の酸素が製造されなければなら
ない場合には、上述と反対に高圧段10に導入される空気
量が減少され、付加的に窒素タンク35及び液体空気タン
ク40からの液体が低圧段に導入されて酸素が液状で低圧
段11の底部から酸素タンク32内に導かれるのである。
液体タンク32、35、40内の圧力は測定装置101、102、
103によって監視される。必要な場合には、弁111、112
又は113の開口を通してタンク32、35、40からのガスが
排出されるのであるが、液体空気タンク40からは導管41
及び13aを経て低圧段内に導入され、酸素タンク32から
は導管33を経て生成物導管17内に導入され、また窒素タ
ンクからは導管36を経て生成物導管19内に導入されるの
である。
〔発明の効果〕
本発明は上述のように構成されているから、酸素要求
量が大きい場合に酸素に富んだ液体成分の少なくとも一
部分を液体タンクに導入してこゝに貯蔵し、酸素要求量
が少ない場合に再度これを取り出すようになすことによ
って、従来よりも更に好都合な収量を有し、特にアルゴ
ン精溜を伴う場合に可変量酸素回収を可能になす方法優
れた方法が提供されるのである。
【図面の簡単な説明】
添付図面は本発明による方法の１つの実施例の概略的図
面。 ２……予備冷却及び予備浄化する装置 ４……主熱交換器 ７……膨張タービン 10……高圧段 11……低圧段 21……粗製アルゴン精溜塔 23……熱交換器 31……ポンプ 32……酸素タンク 35……窒素タンク 40……液体空気タンク 45……粗製アルゴン精溜塔の頭部凝縮器 48……凝縮器／蒸発器 101、102、103……圧力の測定装置 111、112、113……弁 122、124……測定装置 123……液体状態測定装置 125……測定装置 126、127、128……流量測定装置 132、134……制御弁 133……弁

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】空気を圧縮（１）し、予備浄化（２）し、
    冷却（４）し、２段精溜塔（９）の高圧段（10）にて酸
    素に富んだ液状成分及び第１の窒素成分に予備分離（1
    2、14）し、前記酸素に富んだ液状成分を前記高圧段（1
    0）と熱交換を行うように連結（48）された精溜器
    （９）の低圧段（11）に導入（13a、13b）して更に酸素
    成分及び第２の窒素成分に分離（16、30;18）し、又酸
    素の要求量が大なる場合に酸素を酸素タンク（32）から
    取り出して該酸素要求量を補完するように使用し、酸素
    の要求量が少ない場合に低圧段（11）から液状酸素を酸
    素タンク（32）に導入するようになされた可変的な量で
    酸素の製造を行う空気の低温分離方法において、酸素要
    求量が大なる場合に前記酸素に富んだ液状成分の少なく
    とも一部分を液体空気タンク（40）に導入してこゝに貯
    蔵し、酸素要求量が少ない場合に２段精溜塔（９）の高
    圧段（10）に導入される空気量を増大させると共に前記
    液体空気タンク（40）に貯蔵された酸素に富んだ液状成
    分の少なくとも一部分を取り出して精溜器（９）の低圧
    段（11）に導入し、低圧段（11）の中間範囲からアルゴ
    ン含有酸素成分（20）を取り出して粗製アルゴン精溜塔
    （21）にて粗製アルゴンに分離（22）することを特徴と
    する空気の低温分離方法。
  2. 【請求項２】製造される酸素量が変動する場合に低圧段
    （11）の戻し流比率及び交換量を実質的に一定に保持す
    ることを特徴とする請求項１に記載された方法。
  3. 【請求項３】可変量酸素回収でもって空気を低温で分離
    するための装置において、高圧段（10）及び低圧段（1
    1）と共通の凝縮器／蒸発器（48）とを有する２段精溜
    塔（９）と、窒素導管（14、37、15）によって高圧及び
    低圧段（10、11）に連結された窒素タンク（35）と、酸
    素導管（30、34）によって低圧段に連結された酸素タン
    ク（32）と、液体空気タンク（40）、高圧段（10）と液
    体空気タンク（40）との間の導管（12）及び液体空気タ
    ンク（40）と低圧段（11）とを連結する更に他の導管
    （41、13a;42、13b）とから構成されることを特徴とす
    る装置。
  4. 【請求項４】高圧段（10）及び低圧段（11）の底部にお
    ける液体の状態を調整するための測定装置（122、123）
    と、高圧段（10）と窒素タンク（35）と間の窒素導管
    （14）に設けられた流量測定装置（124）と、液体空気
    導管（12）、酸素導管（30）及び窒素導管（14）内の流
    量を制御するための絞り装置（132、133、134）と、絞
    り装置（132、133、134）を制御するように測定装置（1
    22、123、124）に連結する部材とを更に備えていること
    を特徴とする請求項３に記載された装置。
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