JP3217005B2 - 空気分離方法およびそれに用いる装置 - Google Patents
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- F25J2270/91—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration by regenerative chillers, i.e. oscillating or dynamic systems, e.g. Stirling refrigerator, thermoelectric ("Peltier") or magnetic refrigeration using pulse tube refrigeration
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、冷凍機の冷熱を利
用して精留塔の空気液化用の寒冷を得るようにした空気
分離方法およびそれに用いる装置に関するものである。
用して精留塔の空気液化用の寒冷を得るようにした空気
分離方法およびそれに用いる装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、深冷空気分離装置は、寒冷によ
り空気を液化して各成分（Ｎ2 ，Ｏ2，Ａｒ等）に精留
分離したのち、所望の成分を気体状態または液体状態で
取り出すようにしており、寒冷源として、膨張タービン
や液体窒素等の冷熱エネルギーを利用している。このよ
うな深冷空気分離装置として、図８に示すような、膨脹
タービンを利用した高純度窒素ガス製造装置がある。図
において、２１は原料空気（圧縮空気）を熱交換器２２
に供給する圧縮空気供給パイプである。この圧縮空気供
給パイプ２１を通る圧縮空気は、大気中の空気を空気圧
縮機により取り込んで圧縮したのち、ドレン分離器，フ
ロン冷却器および吸着筒を経由した圧縮空気である（図
面では、これら空気圧縮機，ドレン分離器，フロン冷却
器および吸着筒を省略している）。２２は熱交換器であ
り、この内部に、吸着筒内部のモレキュラーシーブによ
り水分（Ｈ2 Ｏ）および炭酸ガス（ＣＯ2 ）が吸着除去
された圧縮空気が送り込まれ、超低温に冷却される。
り空気を液化して各成分（Ｎ2 ，Ｏ2，Ａｒ等）に精留
分離したのち、所望の成分を気体状態または液体状態で
取り出すようにしており、寒冷源として、膨張タービン
や液体窒素等の冷熱エネルギーを利用している。このよ
うな深冷空気分離装置として、図８に示すような、膨脹
タービンを利用した高純度窒素ガス製造装置がある。図
において、２１は原料空気（圧縮空気）を熱交換器２２
に供給する圧縮空気供給パイプである。この圧縮空気供
給パイプ２１を通る圧縮空気は、大気中の空気を空気圧
縮機により取り込んで圧縮したのち、ドレン分離器，フ
ロン冷却器および吸着筒を経由した圧縮空気である（図
面では、これら空気圧縮機，ドレン分離器，フロン冷却
器および吸着筒を省略している）。２２は熱交換器であ
り、この内部に、吸着筒内部のモレキュラーシーブによ
り水分（Ｈ2 Ｏ）および炭酸ガス（ＣＯ2 ）が吸着除去
された圧縮空気が送り込まれ、超低温に冷却される。
【０００３】２３は精留塔であり、熱交換器２２により
超低温に冷却され圧縮空気導入パイプ２４を経て送り込
まれる圧縮空気をさらに冷却し、その一部を液化し液体
空気として底部に溜め、Ｎ2 を気体状態で上部に溜める
ようになっている。２６は精留塔２３の上方に配設され
た凝縮器２７内蔵のコンデンサー（分縮器）である。こ
の凝縮器２７には、精留塔２３の上部に溜るＮ2 ガスの
一部が第１還流液パイプ２８ａを介して送入される。こ
のコンデンサー２６内は、精留塔２３内よりも減圧状態
になっており、精留塔２３の底部の貯留液体空気
（Ｎ2 ；５０〜７０％，Ｏ2 ；３０〜５０％）２５が膨
脹弁２９ａ付き送給パイプ２９を経て送り込まれ、気化
して内部温度を液体窒素（ＬＮ2 ）の沸点以下の温度に
冷却するようになっている。この冷却により、精留塔２
３から第１還流液パイプ２８ａを介して凝縮器２７内に
送入されたＮ2 ガスが液化する。精留塔２３の上部に
は、凝縮器２７で生成したＬＮ2 が第２還流液パイプ２
８ｂを流下して還流供給され、これがＬＮ2 溜め（図示
せず）を経て精留塔２３内を下方に流下し、精留塔２３
の底部から上昇する圧縮空気と向流的に接触し冷却して
その一部を液化するようになっている。この過程で圧縮
空気中の高沸点成分（Ｏ2 ）は液化されて精留塔２３の
底部に溜り、低沸点成分のＮ2 ガスが精留塔２３の上部
に溜る。
超低温に冷却され圧縮空気導入パイプ２４を経て送り込
まれる圧縮空気をさらに冷却し、その一部を液化し液体
空気として底部に溜め、Ｎ2 を気体状態で上部に溜める
ようになっている。２６は精留塔２３の上方に配設され
た凝縮器２７内蔵のコンデンサー（分縮器）である。こ
の凝縮器２７には、精留塔２３の上部に溜るＮ2 ガスの
一部が第１還流液パイプ２８ａを介して送入される。こ
のコンデンサー２６内は、精留塔２３内よりも減圧状態
になっており、精留塔２３の底部の貯留液体空気
（Ｎ2 ；５０〜７０％，Ｏ2 ；３０〜５０％）２５が膨
脹弁２９ａ付き送給パイプ２９を経て送り込まれ、気化
して内部温度を液体窒素（ＬＮ2 ）の沸点以下の温度に
冷却するようになっている。この冷却により、精留塔２
３から第１還流液パイプ２８ａを介して凝縮器２７内に
送入されたＮ2 ガスが液化する。精留塔２３の上部に
は、凝縮器２７で生成したＬＮ2 が第２還流液パイプ２
８ｂを流下して還流供給され、これがＬＮ2 溜め（図示
せず）を経て精留塔２３内を下方に流下し、精留塔２３
の底部から上昇する圧縮空気と向流的に接触し冷却して
その一部を液化するようになっている。この過程で圧縮
空気中の高沸点成分（Ｏ2 ）は液化されて精留塔２３の
底部に溜り、低沸点成分のＮ2 ガスが精留塔２３の上部
に溜る。
【０００４】３０は精留塔２３の上部に溜まるＮ2 ガス
を製品Ｎ2 ガスとして取り出すＮ2ガス取出パイプであ
り、低温のＮ2 ガスを熱交換器２２内に案内し、そこに
送り込まれる圧縮空気と熱交換させて常温にしメインパ
イプ３１に送り込む作用をする。３１ａは一定量のＮ2
ガスを所定の圧力で需要側に供給する製品Ｎ2 ガス供給
弁である。３２は放出パイプであり、コンデンサー２６
内の気化液体空気（排Ｎ2 ガス）の全部または一部を分
岐パイプ３４を経て膨脹タービン３３の駆動部に送り込
み他部を外部に放出する作用をする。３２ａは分岐パイ
プ３４に供給する排Ｎ2 ガス量をコントロールすること
により寒冷量の調節を行う流量調節弁である。３３は膨
脹タービンであり、分岐パイプ３４から供給された排Ｎ
2 ガスを膨脹させて低温排Ｎ2 ガスを得たのち、戻しパ
イプ３５を経て放出パイプ３２の流量調節弁３２ａ下流
側部分に合流させる。これにより、分岐パイプ３４を通
る排Ｎ2 ガス、放出パイプ３２を通る低温排Ｎ2 ガス，
排Ｎ2 ガスおよびＮ2 ガス取出パイプ３０から送り込ま
れる製品Ｎ2 ガスにより、熱交換器２２内へ送り込まれ
る圧縮空気を超低温に冷却するようになっている。
を製品Ｎ2 ガスとして取り出すＮ2ガス取出パイプであ
り、低温のＮ2 ガスを熱交換器２２内に案内し、そこに
送り込まれる圧縮空気と熱交換させて常温にしメインパ
イプ３１に送り込む作用をする。３１ａは一定量のＮ2
ガスを所定の圧力で需要側に供給する製品Ｎ2 ガス供給
弁である。３２は放出パイプであり、コンデンサー２６
内の気化液体空気（排Ｎ2 ガス）の全部または一部を分
岐パイプ３４を経て膨脹タービン３３の駆動部に送り込
み他部を外部に放出する作用をする。３２ａは分岐パイ
プ３４に供給する排Ｎ2 ガス量をコントロールすること
により寒冷量の調節を行う流量調節弁である。３３は膨
脹タービンであり、分岐パイプ３４から供給された排Ｎ
2 ガスを膨脹させて低温排Ｎ2 ガスを得たのち、戻しパ
イプ３５を経て放出パイプ３２の流量調節弁３２ａ下流
側部分に合流させる。これにより、分岐パイプ３４を通
る排Ｎ2 ガス、放出パイプ３２を通る低温排Ｎ2 ガス，
排Ｎ2 ガスおよびＮ2 ガス取出パイプ３０から送り込ま
れる製品Ｎ2 ガスにより、熱交換器２２内へ送り込まれ
る圧縮空気を超低温に冷却するようになっている。
【０００５】３６はＬＮ2 貯蔵タンク（内部は精留塔２
３の圧力より１ｋｇ／ｃｍ2 Ｇ程度低い圧力に設定され
ている）であり、精留塔２３の上部のＬＮ2 溜めから導
入弁３７ａ付き導入パイプ３７を経てＬＮ2 が圧力差に
より供給されるようになっている。３８はＬＮ2 貯蔵タ
ンク３６の下部から延びる自己加圧蒸発器３８ａ付きＬ
Ｎ2 取出パイプである。このＬＮ2 取出パイプ３８を設
けているため、バックアップ作動（メインパイプ３１か
らの製品Ｎ2 ガスの供給量低下，供給不能等の場合に、
ＬＮ2 貯蔵タンク３６のＬＮ2 を後述のバックアップ系
パイプ４２を通して気化し需要側に供給する）後に、Ｌ
Ｎ2 貯蔵タンク３６の上部圧力が降下して所定圧力を下
回っても、開閉弁３９が開き、ＬＮ2 貯蔵タンク３６内
のＬＮ2が自己加圧蒸発器３８ａに送り込まれて蒸発し
体積膨張したのち、上部パイプ４０を経てＬＮ2 貯蔵タ
ンク３６の上部空間に導入される。これにより、ＬＮ2
貯蔵タンク３６の上部圧力が上記所定圧力に戻り、開閉
弁３９は閉弁する。４１は上部パイプ４０から延びる開
閉弁４１ａ付き排出パイプであり、ＬＮ2 貯蔵タンク３
６の上部圧力が上記所定圧力を上回ると、開閉弁４１ａ
が開き、ＬＮ2 貯蔵タンク３６内のＬＮ2 が外部に放出
されて所定圧力に戻るようになっている。４２はＬＮ2
貯蔵タンク３６からメインパイプ３１に延びるバックア
ップ系パイプであり、空気圧縮系ラインが故障等して、
バックアップ系パイプ４２内の圧力が所定の圧力（製品
Ｎ2 ガス圧力〔ＬＮ2 貯蔵タンク３６の上部圧力と同
じ〕より０．５ｋｇ／ｃｍ2 Ｇ程度低い圧力）に降下す
ると、開閉弁４３が開き、ＬＮ2貯蔵タンク３６内のＬ
Ｎ2 がバックアップ用蒸発器４２ａに送り込まれて蒸発
し、製品ガスとしてメインパイプ３１に導入される。こ
れにより、Ｎ2 ガスの供給が途絶えないようにしてい
る。
３の圧力より１ｋｇ／ｃｍ2 Ｇ程度低い圧力に設定され
ている）であり、精留塔２３の上部のＬＮ2 溜めから導
入弁３７ａ付き導入パイプ３７を経てＬＮ2 が圧力差に
より供給されるようになっている。３８はＬＮ2 貯蔵タ
ンク３６の下部から延びる自己加圧蒸発器３８ａ付きＬ
Ｎ2 取出パイプである。このＬＮ2 取出パイプ３８を設
けているため、バックアップ作動（メインパイプ３１か
らの製品Ｎ2 ガスの供給量低下，供給不能等の場合に、
ＬＮ2 貯蔵タンク３６のＬＮ2 を後述のバックアップ系
パイプ４２を通して気化し需要側に供給する）後に、Ｌ
Ｎ2 貯蔵タンク３６の上部圧力が降下して所定圧力を下
回っても、開閉弁３９が開き、ＬＮ2 貯蔵タンク３６内
のＬＮ2が自己加圧蒸発器３８ａに送り込まれて蒸発し
体積膨張したのち、上部パイプ４０を経てＬＮ2 貯蔵タ
ンク３６の上部空間に導入される。これにより、ＬＮ2
貯蔵タンク３６の上部圧力が上記所定圧力に戻り、開閉
弁３９は閉弁する。４１は上部パイプ４０から延びる開
閉弁４１ａ付き排出パイプであり、ＬＮ2 貯蔵タンク３
６の上部圧力が上記所定圧力を上回ると、開閉弁４１ａ
が開き、ＬＮ2 貯蔵タンク３６内のＬＮ2 が外部に放出
されて所定圧力に戻るようになっている。４２はＬＮ2
貯蔵タンク３６からメインパイプ３１に延びるバックア
ップ系パイプであり、空気圧縮系ラインが故障等して、
バックアップ系パイプ４２内の圧力が所定の圧力（製品
Ｎ2 ガス圧力〔ＬＮ2 貯蔵タンク３６の上部圧力と同
じ〕より０．５ｋｇ／ｃｍ2 Ｇ程度低い圧力）に降下す
ると、開閉弁４３が開き、ＬＮ2貯蔵タンク３６内のＬ
Ｎ2 がバックアップ用蒸発器４２ａに送り込まれて蒸発
し、製品ガスとしてメインパイプ３１に導入される。こ
れにより、Ｎ2 ガスの供給が途絶えないようにしてい
る。
【０００６】この装置は、つぎのようにして製品窒素ガ
スを製造する。すなわち、空気圧縮機により空気を圧縮
し、ドレン分離器により圧縮された空気中のＨ2 Ｏを除
去してフロン冷却器により冷却し、その状態で吸着筒に
送り込み、空気中のＨ2 ＯおよびＣＯ2 を吸着除去す
る。ついで、Ｈ2 Ｏ，ＣＯ2 が吸着除去された圧縮空気
を、精留塔２３からＮ2 ガス取出パイプ３０を経て送り
込まれる製品Ｎ2 ガス，膨脹タービン３３から送り込ま
れる低温排ガス等の冷媒によって冷やされている熱交換
器２２に送り込んで超低温に冷却し、その状態で精留塔
２３の下部内に投入する。つぎに、この投入圧縮空気を
ＬＮ2 溜めからの溢流ＬＮ2 と接触させて冷却し、一部
を液化して精留塔２３の底部に液体空気２５として溜め
る。この過程において、Ｎ2 とＯ2 の沸点の差により、
圧縮空気中の高沸点成分であるＯ2が液化し、Ｎ2 が気
体のまま残る。つぎに、この気体のまま残ったＮ2 をＮ
2 ガス取出パイプ３０から取り出して熱交換器２２に送
り込み、常温近くまで昇温させメインパイプ３１から製
品Ｎ2 ガスとして送り出す。一方、精留塔２３の下部に
溜った液体空気２５については、これをコンデンサー２
６内に送り込み凝縮器２７を冷却させる。この冷却によ
り、精留塔２３の上部から凝縮器２７に送入されたＮ2
ガスが液化して精留塔２３用の還流液となり、第２還流
液パイプ２８ｂを経て精留塔２３に戻る。そして凝縮器
２７を冷却し終えた液体空気２５は気化し、放出パイプ
３２により熱交換器２２に送られてこの熱交換器２２を
冷やしたのち、空気中に放出される。他方、コンデンサ
ー２６から取り出した排Ｎ2 ガスの全部もしくは一部は
熱交換器２２を通ったのち膨脹タービン３３の駆動部に
送り込まれ、これを駆動し冷媒を循環させ、再度熱交換
器２２に送り込まれて、熱交換器２２内へ送り込まれる
圧縮空気を冷却するようになっている。
スを製造する。すなわち、空気圧縮機により空気を圧縮
し、ドレン分離器により圧縮された空気中のＨ2 Ｏを除
去してフロン冷却器により冷却し、その状態で吸着筒に
送り込み、空気中のＨ2 ＯおよびＣＯ2 を吸着除去す
る。ついで、Ｈ2 Ｏ，ＣＯ2 が吸着除去された圧縮空気
を、精留塔２３からＮ2 ガス取出パイプ３０を経て送り
込まれる製品Ｎ2 ガス，膨脹タービン３３から送り込ま
れる低温排ガス等の冷媒によって冷やされている熱交換
器２２に送り込んで超低温に冷却し、その状態で精留塔
２３の下部内に投入する。つぎに、この投入圧縮空気を
ＬＮ2 溜めからの溢流ＬＮ2 と接触させて冷却し、一部
を液化して精留塔２３の底部に液体空気２５として溜め
る。この過程において、Ｎ2 とＯ2 の沸点の差により、
圧縮空気中の高沸点成分であるＯ2が液化し、Ｎ2 が気
体のまま残る。つぎに、この気体のまま残ったＮ2 をＮ
2 ガス取出パイプ３０から取り出して熱交換器２２に送
り込み、常温近くまで昇温させメインパイプ３１から製
品Ｎ2 ガスとして送り出す。一方、精留塔２３の下部に
溜った液体空気２５については、これをコンデンサー２
６内に送り込み凝縮器２７を冷却させる。この冷却によ
り、精留塔２３の上部から凝縮器２７に送入されたＮ2
ガスが液化して精留塔２３用の還流液となり、第２還流
液パイプ２８ｂを経て精留塔２３に戻る。そして凝縮器
２７を冷却し終えた液体空気２５は気化し、放出パイプ
３２により熱交換器２２に送られてこの熱交換器２２を
冷やしたのち、空気中に放出される。他方、コンデンサ
ー２６から取り出した排Ｎ2 ガスの全部もしくは一部は
熱交換器２２を通ったのち膨脹タービン３３の駆動部に
送り込まれ、これを駆動し冷媒を循環させ、再度熱交換
器２２に送り込まれて、熱交換器２２内へ送り込まれる
圧縮空気を冷却するようになっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記装
置に用いる膨張タービン３３は、１分間に数万回と高速
回転させるため、負荷変動に対する追従運転が困難であ
り、かつ故障が生じやすいという欠点等がある。そこ
で、比較的小型の空気分離装置では、膨張タービン３３
の代替として、外部からＬＮ2 を供給するＬＮ2 収容タ
ンクを用い、このＬＮ2 収容タンク内のＬＮ2 を直接に
精留塔２３に供給している場合もある。ところが、この
ものでは、ＬＮ2 を消費するのみであり、ＬＮ2 の製造
は不可能である。このため、ＬＮ2 の補給が必要とな
り、ＬＮ2 供給源の確保およびＬＮ2 の輸送等のコスト
アップとなる。一方、膨脹タービン３３を用いた空気分
離装置では、ＬＮ2 の製造は、ＬＮ2 の還流液の一部を
精留塔２３のＬＮ2 溜めからＬＮ 2 貯蔵タンク３６に取
り出すことにより行われているため、ＬＮ2 製造量と還
流液量のバランスに変動が生じると、製品Ｎ2 ガスの純
度に悪影響を及ぼす等運転が難しくなる。また、精留塔
２３（精留塔２３の圧力は５ｋｇ／ｃｍ2 Ｇ以上に設定
されている）からＬＮ2 をＬＮ2 貯蔵タンク３６に減圧
供給した場合にフラッシュロスが発生し、ＬＮ2 の収率
が低下する等の欠点がある。しかも、ＬＮ2貯蔵タンク
３６の上部圧力は精留塔２３の圧力よりも少なくとも１
ｋｇ／ｃｍ2Ｇ程度低圧にする必要があり、Ｎ2 ガスの
バックアップ時にはＬＮ2 貯蔵タンク３６の上部圧力を
Ｎ2 供給圧力にまで上昇させなければならず、この上昇
時間はバックアップが停止する。これを防ぐため、Ｎ2
供給圧力を精留塔２３の圧力より１ｋｇ／ｃｍ2 Ｇ程度
低い状態にしているが、精留塔２３の状態は低圧運転の
方が効率がよく、効率の悪い運転をしていることにな
る。
置に用いる膨張タービン３３は、１分間に数万回と高速
回転させるため、負荷変動に対する追従運転が困難であ
り、かつ故障が生じやすいという欠点等がある。そこ
で、比較的小型の空気分離装置では、膨張タービン３３
の代替として、外部からＬＮ2 を供給するＬＮ2 収容タ
ンクを用い、このＬＮ2 収容タンク内のＬＮ2 を直接に
精留塔２３に供給している場合もある。ところが、この
ものでは、ＬＮ2 を消費するのみであり、ＬＮ2 の製造
は不可能である。このため、ＬＮ2 の補給が必要とな
り、ＬＮ2 供給源の確保およびＬＮ2 の輸送等のコスト
アップとなる。一方、膨脹タービン３３を用いた空気分
離装置では、ＬＮ2 の製造は、ＬＮ2 の還流液の一部を
精留塔２３のＬＮ2 溜めからＬＮ 2 貯蔵タンク３６に取
り出すことにより行われているため、ＬＮ2 製造量と還
流液量のバランスに変動が生じると、製品Ｎ2 ガスの純
度に悪影響を及ぼす等運転が難しくなる。また、精留塔
２３（精留塔２３の圧力は５ｋｇ／ｃｍ2 Ｇ以上に設定
されている）からＬＮ2 をＬＮ2 貯蔵タンク３６に減圧
供給した場合にフラッシュロスが発生し、ＬＮ2 の収率
が低下する等の欠点がある。しかも、ＬＮ2貯蔵タンク
３６の上部圧力は精留塔２３の圧力よりも少なくとも１
ｋｇ／ｃｍ2Ｇ程度低圧にする必要があり、Ｎ2 ガスの
バックアップ時にはＬＮ2 貯蔵タンク３６の上部圧力を
Ｎ2 供給圧力にまで上昇させなければならず、この上昇
時間はバックアップが停止する。これを防ぐため、Ｎ2
供給圧力を精留塔２３の圧力より１ｋｇ／ｃｍ2 Ｇ程度
低い状態にしているが、精留塔２３の状態は低圧運転の
方が効率がよく、効率の悪い運転をしていることにな
る。
【０００８】本発明は、このような事情に鑑みなされた
もので、寒冷源として膨脹タービンを用いることなく、
ＬＮ2 等の製造が可能で、フラッシュの発生がなく、効
率の良い運転をすることのできる空気分離方法およびそ
れに用いる装置の提供をその目的とする。
もので、寒冷源として膨脹タービンを用いることなく、
ＬＮ2 等の製造が可能で、フラッシュの発生がなく、効
率の良い運転をすることのできる空気分離方法およびそ
れに用いる装置の提供をその目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、原料空気を圧縮したのち圧縮空気中の不
純物を除去し、ついで熱交換器で冷媒と熱交換させて冷
却したのち精留塔に導入し、精留塔で圧縮空気を各成分
の沸点差を利用して分離し所望の成分を気体状態で取り
出す空気分離方法であって、精留塔の空気液化用の寒冷
源として冷凍機の冷熱を利用する空気分離方法を第１の
要旨とし、外部より取り入れた空気を圧縮する空気圧縮
手段と、この空気圧縮手段によって圧縮された圧縮空気
中の不純物を除去する除去手段と、この除去手段を経た
圧縮空気を冷却する熱交換器と、この熱交換器を経由し
低温に冷却された圧縮空気を各成分の沸点差を利用して
分離し所望の成分を気体状態で取り出す精留塔とを備え
た空気分離装置であって、上記精留塔から気体状態で取
り出した成分の一部を導入する貯蔵手段と、この貯蔵手
段に導入した気体状態の成分を液化して上記貯蔵手段内
に溜める冷凍機と、この冷凍機で液化され上記貯蔵手段
内に溜められた液化成分を取り出し精留塔もしくは精留
塔の還流液生成用の凝縮器に供給する供給パイプとを設
けた空気分離装置を第２の要旨とする。
め、本発明は、原料空気を圧縮したのち圧縮空気中の不
純物を除去し、ついで熱交換器で冷媒と熱交換させて冷
却したのち精留塔に導入し、精留塔で圧縮空気を各成分
の沸点差を利用して分離し所望の成分を気体状態で取り
出す空気分離方法であって、精留塔の空気液化用の寒冷
源として冷凍機の冷熱を利用する空気分離方法を第１の
要旨とし、外部より取り入れた空気を圧縮する空気圧縮
手段と、この空気圧縮手段によって圧縮された圧縮空気
中の不純物を除去する除去手段と、この除去手段を経た
圧縮空気を冷却する熱交換器と、この熱交換器を経由し
低温に冷却された圧縮空気を各成分の沸点差を利用して
分離し所望の成分を気体状態で取り出す精留塔とを備え
た空気分離装置であって、上記精留塔から気体状態で取
り出した成分の一部を導入する貯蔵手段と、この貯蔵手
段に導入した気体状態の成分を液化して上記貯蔵手段内
に溜める冷凍機と、この冷凍機で液化され上記貯蔵手段
内に溜められた液化成分を取り出し精留塔もしくは精留
塔の還流液生成用の凝縮器に供給する供給パイプとを設
けた空気分離装置を第２の要旨とする。
【００１０】すなわち、本発明の空気分離方法では、精
留塔の空気液化用の寒冷源として冷凍機の冷熱を利用し
ており、膨脹タービンを利用していない。したがって、
膨脹タービンを利用した場合の欠点（すなわち、膨脹タ
ービンは１分間に数万回と高速回転するため、負荷変動
に対する追従運転が困難であり、かつ故障が生じやすい
という欠点）がなくなる。一方、本発明の空気分離装置
では、精留塔から気体状態で取り出した成分（Ｎ2 ，Ｏ
2 ，Ａｒ等）の一部を貯蔵手段に導入し、これを冷凍機
により液化して貯蔵手段内に溜め、この貯留した液化成
分（ＬＮ2 ，ＬＯ2 ，ＬＡｒ等）を精留塔もしくは精留
塔の還流液生成用の凝縮器に供給することにより、精留
塔の空気液化用の寒冷を得るようにしている。このよう
に、本発明の装置では、膨脹タービンを用いることな
く、冷凍機の冷熱を利用して精留塔の空気液化用の寒冷
を得ることができ、本発明の方法と同様の作用効果を奏
する。しかも、本発明の装置では、精留塔から気体状態
で取り出した成分を液化して貯蔵手段に溜めていること
から、寒冷として用いる液化成分の製造を行うこともで
きる。しかも、本発明の装置では、精留塔にて上記の成
分を気体状態で製造したのち、その一部を貯蔵手段に導
入して冷凍機により液化し貯蔵しているため、従来例で
は生じたフラッシュロスが生じることもなく、収率が向
上するうえ、上記の成分の製造量と還流液量とのバラン
スに変動が生じなくなり、上記の成分の純度が劣化しな
い。
留塔の空気液化用の寒冷源として冷凍機の冷熱を利用し
ており、膨脹タービンを利用していない。したがって、
膨脹タービンを利用した場合の欠点（すなわち、膨脹タ
ービンは１分間に数万回と高速回転するため、負荷変動
に対する追従運転が困難であり、かつ故障が生じやすい
という欠点）がなくなる。一方、本発明の空気分離装置
では、精留塔から気体状態で取り出した成分（Ｎ2 ，Ｏ
2 ，Ａｒ等）の一部を貯蔵手段に導入し、これを冷凍機
により液化して貯蔵手段内に溜め、この貯留した液化成
分（ＬＮ2 ，ＬＯ2 ，ＬＡｒ等）を精留塔もしくは精留
塔の還流液生成用の凝縮器に供給することにより、精留
塔の空気液化用の寒冷を得るようにしている。このよう
に、本発明の装置では、膨脹タービンを用いることな
く、冷凍機の冷熱を利用して精留塔の空気液化用の寒冷
を得ることができ、本発明の方法と同様の作用効果を奏
する。しかも、本発明の装置では、精留塔から気体状態
で取り出した成分を液化して貯蔵手段に溜めていること
から、寒冷として用いる液化成分の製造を行うこともで
きる。しかも、本発明の装置では、精留塔にて上記の成
分を気体状態で製造したのち、その一部を貯蔵手段に導
入して冷凍機により液化し貯蔵しているため、従来例で
は生じたフラッシュロスが生じることもなく、収率が向
上するうえ、上記の成分の製造量と還流液量とのバラン
スに変動が生じなくなり、上記の成分の純度が劣化しな
い。
【００１１】
【発明の実施の形態】つぎに、本発明の実施の形態を図
面にもとづいて詳しく説明する。
面にもとづいて詳しく説明する。
【００１２】図１は本発明の空気分離装置の一実施の形
態を示す構成図である。この実施の形態では、図８の空
気分離装置において用いた膨脹タービン３３の代替とし
て、精留塔２３で製造した製品Ｎ2 ガスの一部をＬＮ2
にして貯蔵するとともにこの貯蔵したＬＮ2 を寒冷源と
してコンデンサー２６に供給する小型ＬＮ2 貯蔵タンク
２を設けている。また、外部供給のＬＮ2 を収容するＬ
Ｎ2 収容タンク３を設けている。それ以外の部分は図８
に示す空気分離装置と同様であり、同様の部分には同じ
符号を付している。図１において、１は熱交換器であ
る。この熱交換器１は、図８の熱交換器２２と同様構造
の熱交換器であり、同様の作用をする。ただし、この実
施の形態では、膨脹タービン３３を用いていないため、
熱交換器１内を図８の分岐パイプ３４が通っていない。
これにより、熱交換器１内へ送り込まれる圧縮空気は、
放出パイプ３２を通る排Ｎ2 ガスおよびＮ2 ガス取出パ
イプ３０から送り込まれる製品Ｎ2 ガスにより超低温に
冷却されるようになっている。
態を示す構成図である。この実施の形態では、図８の空
気分離装置において用いた膨脹タービン３３の代替とし
て、精留塔２３で製造した製品Ｎ2 ガスの一部をＬＮ2
にして貯蔵するとともにこの貯蔵したＬＮ2 を寒冷源と
してコンデンサー２６に供給する小型ＬＮ2 貯蔵タンク
２を設けている。また、外部供給のＬＮ2 を収容するＬ
Ｎ2 収容タンク３を設けている。それ以外の部分は図８
に示す空気分離装置と同様であり、同様の部分には同じ
符号を付している。図１において、１は熱交換器であ
る。この熱交換器１は、図８の熱交換器２２と同様構造
の熱交換器であり、同様の作用をする。ただし、この実
施の形態では、膨脹タービン３３を用いていないため、
熱交換器１内を図８の分岐パイプ３４が通っていない。
これにより、熱交換器１内へ送り込まれる圧縮空気は、
放出パイプ３２を通る排Ｎ2 ガスおよびＮ2 ガス取出パ
イプ３０から送り込まれる製品Ｎ2 ガスにより超低温に
冷却されるようになっている。
【００１３】図１において、２ｂは小型ＬＮ2 貯蔵タン
ク２の下部から延びる開閉弁２ｃ付きパイプであり、余
剰のＬＮ2 を外部に取り出す作用をする。５はメインパ
イプ３１の製品Ｎ2 ガス供給弁３１ａ上流側部分から分
岐する分岐パイプであり、メインパイプ３１を通る製品
Ｎ2 ガスの一部を小型ＬＮ2 貯蔵タンク２に導入する作
用をする。４は小型ＬＮ2 貯蔵タンク２の上壁に取り付
けたパルスチューブ冷凍機（Ｈｅを冷媒として利用して
いる）であり、分岐パイプ５から小型ＬＮ2 貯蔵タンク
２に導入した製品Ｎ2 ガスを液化して小型ＬＮ2 貯蔵タ
ンク２に溜めるようになっている。５ａは分岐パイプ５
に設けたＮ2 ガス導出弁であり、小型ＬＮ2 貯蔵タンク
２への最大供給量を制限している。６はＬＮ2 供給パイ
プであり、小型ＬＮ2 貯蔵タンク２内の貯留ＬＮ2 ２ａ
をコンデンサー２６に供給する作用をする。６ａはＬＮ
2 供給パイプ６に取り付けたＬＮ2 供給弁であり、装置
のスタートアップが完了し、小型ＬＮ2 貯蔵タンク２に
所定量のＬＮ2 が貯留された段階で開弁する（すなわ
ち、ＬＮ2 供給弁６ａは通常運転時に作動する）。
ク２の下部から延びる開閉弁２ｃ付きパイプであり、余
剰のＬＮ2 を外部に取り出す作用をする。５はメインパ
イプ３１の製品Ｎ2 ガス供給弁３１ａ上流側部分から分
岐する分岐パイプであり、メインパイプ３１を通る製品
Ｎ2 ガスの一部を小型ＬＮ2 貯蔵タンク２に導入する作
用をする。４は小型ＬＮ2 貯蔵タンク２の上壁に取り付
けたパルスチューブ冷凍機（Ｈｅを冷媒として利用して
いる）であり、分岐パイプ５から小型ＬＮ2 貯蔵タンク
２に導入した製品Ｎ2 ガスを液化して小型ＬＮ2 貯蔵タ
ンク２に溜めるようになっている。５ａは分岐パイプ５
に設けたＮ2 ガス導出弁であり、小型ＬＮ2 貯蔵タンク
２への最大供給量を制限している。６はＬＮ2 供給パイ
プであり、小型ＬＮ2 貯蔵タンク２内の貯留ＬＮ2 ２ａ
をコンデンサー２６に供給する作用をする。６ａはＬＮ
2 供給パイプ６に取り付けたＬＮ2 供給弁であり、装置
のスタートアップが完了し、小型ＬＮ2 貯蔵タンク２に
所定量のＬＮ2 が貯留された段階で開弁する（すなわ
ち、ＬＮ2 供給弁６ａは通常運転時に作動する）。
【００１４】３はＬＮ2 を外部から導入して収容するＬ
Ｎ2 収容タンクである。７はＬＮ2送給パイプであり、
装置のスタートアップ時や寒冷エネルギー不足時にＬＮ
2 送給弁７ａを開弁してＬＮ2 収容タンク３内のＬＮ2
を精留塔２３の上部のＬＮ2溜めに供給する作用をする
（すなわち、ＬＮ2 送給弁７ａは装置のスタートアップ
時や寒冷エネルギー不足時に作動する）。３ａはＬＮ2
導入パイプであり、ＬＮ2 収容タンク３内のＬＮ2 量が
不足するとＬＮ2 導入弁３ｂが開弁し、外部からＬＮ2
をＬＮ2 収容タンク３に導入する作用をする。８ａ〜８
ｃは断熱保冷箱であり、８ａの内部には熱交換器１，精
留塔２３およびコンデンサー２６が収容され、８ｂの内
部にはＬＮ2 収容タンク３が収容され、８ｃの内部には
小型ＬＮ 2 貯蔵タンク２が収容されている。これら各断
熱保冷箱８ａ〜８ｃの内部は真空状態に保持されてお
り、かつパーライト（図示せず）が充填されている。
Ｎ2 収容タンクである。７はＬＮ2送給パイプであり、
装置のスタートアップ時や寒冷エネルギー不足時にＬＮ
2 送給弁７ａを開弁してＬＮ2 収容タンク３内のＬＮ2
を精留塔２３の上部のＬＮ2溜めに供給する作用をする
（すなわち、ＬＮ2 送給弁７ａは装置のスタートアップ
時や寒冷エネルギー不足時に作動する）。３ａはＬＮ2
導入パイプであり、ＬＮ2 収容タンク３内のＬＮ2 量が
不足するとＬＮ2 導入弁３ｂが開弁し、外部からＬＮ2
をＬＮ2 収容タンク３に導入する作用をする。８ａ〜８
ｃは断熱保冷箱であり、８ａの内部には熱交換器１，精
留塔２３およびコンデンサー２６が収容され、８ｂの内
部にはＬＮ2 収容タンク３が収容され、８ｃの内部には
小型ＬＮ 2 貯蔵タンク２が収容されている。これら各断
熱保冷箱８ａ〜８ｃの内部は真空状態に保持されてお
り、かつパーライト（図示せず）が充填されている。
【００１５】また、自己加圧蒸発器３８ａ付きＬＮ2 取
出パイプ３８、開閉弁３９，４３、上部パイプ４０、開
閉弁４１ａ付き排出パイプ４１、バックアップ用蒸発器
４２ａ付きバックアップ系パイプ４２は、ＬＮ2 収容タ
ンク３に対して、図８におけるＬＮ2 貯蔵タンク３６に
対して行うのと同様の作用を行う。この実施の形態で
は、精留塔２３の圧力，小型ＬＮ2 貯蔵タンク２の上部
圧力および製品Ｎ2 ガス圧力は３．５ｋｇ／ｃｍ2 Ｇ程
度に、ＬＮ2 収容タンク３の上部圧力は５．５ｋｇ／ｃ
ｍ2 Ｇ程度に設定されている。
出パイプ３８、開閉弁３９，４３、上部パイプ４０、開
閉弁４１ａ付き排出パイプ４１、バックアップ用蒸発器
４２ａ付きバックアップ系パイプ４２は、ＬＮ2 収容タ
ンク３に対して、図８におけるＬＮ2 貯蔵タンク３６に
対して行うのと同様の作用を行う。この実施の形態で
は、精留塔２３の圧力，小型ＬＮ2 貯蔵タンク２の上部
圧力および製品Ｎ2 ガス圧力は３．５ｋｇ／ｃｍ2 Ｇ程
度に、ＬＮ2 収容タンク３の上部圧力は５．５ｋｇ／ｃ
ｍ2 Ｇ程度に設定されている。
【００１６】上記装置において、パルスチューブ冷凍機
４の冷凍能力はＮ2 の潜熱分および熱交換器１のエンタ
ルピーロス分とヒートリークロス分の冷凍能力でよく、
例えばＮ2 ガス２００Ｎｍ3 ／ｈを発生する空気分離装
置であれば、５００Ｗ程度の冷凍能力で運転可能とな
る。また、パルスチューブ冷凍機４はＬＮ2 貯蔵タンク
２の上部圧力を制御しながら運転される。また、分岐パ
イプ５によりＬＮ2 貯蔵タンク２に供給される最大供給
量はパルスチューブ冷凍機４の冷凍能力に左右される。
この分岐パイプ５に設けたガス導出弁５ａは製品Ｎ2 ガ
スの純度が劣化した場合に閉弁する。
４の冷凍能力はＮ2 の潜熱分および熱交換器１のエンタ
ルピーロス分とヒートリークロス分の冷凍能力でよく、
例えばＮ2 ガス２００Ｎｍ3 ／ｈを発生する空気分離装
置であれば、５００Ｗ程度の冷凍能力で運転可能とな
る。また、パルスチューブ冷凍機４はＬＮ2 貯蔵タンク
２の上部圧力を制御しながら運転される。また、分岐パ
イプ５によりＬＮ2 貯蔵タンク２に供給される最大供給
量はパルスチューブ冷凍機４の冷凍能力に左右される。
この分岐パイプ５に設けたガス導出弁５ａは製品Ｎ2 ガ
スの純度が劣化した場合に閉弁する。
【００１７】この装置は、つぎのようにして製品窒素ガ
スを製造する。すなわち、空気圧縮機により空気を圧縮
し、ドレン分離器により圧縮された空気中のＨ2 Ｏを除
去してフロン冷却器により冷却し、その状態で吸着塔に
送り込み、この吸着塔内のモレキュラーシーブ等で空気
中のＨ2 ＯおよびＣＯ2 を吸着除去する。ついで、Ｈ 2
ＯおよびＣＯ2 が吸着除去された圧縮空気を、精留塔２
３からＮ2 ガス取出パイプ３０を経て送り込まれる製品
Ｎ2 ガスおよび放出パイプ３２を通る排ガスで冷やされ
ている熱交換器１に送り込んで超低温に冷却し、その状
態で精留塔２３の下部内に投入する。装置のスタートア
ップ時には、精留塔２３のＬＮ2 溜めにＬＮ2 をＬＮ2
収容タンク３からＬＮ2 送給パイプ７を経て供給し、Ｎ
2 ガスを発生させる。つぎに、発生したＮ2 ガスをＮ2
ガス取出パイプ３０から取り出して熱交換器１に送り込
み、常温近くまで昇温させメインパイプ３１から製品Ｎ
2ガスとして送り出す。このメインパイプ３１を通る製
品Ｎ2 ガスの一部を分岐パイプ５を経て小型ＬＮ2 貯蔵
タンク２へ供給し、パルスチューブ冷凍機４により液化
して貯蔵する。この小型ＬＮ2 貯蔵タンク２に所定量の
ＬＮ2 が溜まると、ＬＮ2 送給弁７ａを閉弁するととも
にＬＮ2 供給弁６ａを開弁し、小型ＬＮ2 貯蔵タンク２
に溜まったＬＮ2 をコンデンサー２６に供給する。一
方、精留塔２３の下部に溜った液体空気２５をコンデン
サー２６内に送り込み、小型ＬＮ2 貯蔵タンク２から供
給するＬＮ2 とともに凝縮器２７を冷却させる。この冷
却により、精留塔２３の上部から凝縮器２７に送入され
たＮ2 ガスが液化して精留塔２３用の還流液となり、第
２還流液パイプ２８ｂを経て精留塔２３に戻る。そし
て、凝縮器２７を冷却し終えた液体空気２５は気化し、
放出パイプ３２により熱交換器１に送られて熱交換器１
を冷やしたのち、空気中に放出される。他方、ＬＮ2送
給弁７ａ閉弁後は、ＬＮ2 収容タンク３内のＬＮ2 は主
として製品Ｎ2 ガスのバックアップ用に利用される。
スを製造する。すなわち、空気圧縮機により空気を圧縮
し、ドレン分離器により圧縮された空気中のＨ2 Ｏを除
去してフロン冷却器により冷却し、その状態で吸着塔に
送り込み、この吸着塔内のモレキュラーシーブ等で空気
中のＨ2 ＯおよびＣＯ2 を吸着除去する。ついで、Ｈ 2
ＯおよびＣＯ2 が吸着除去された圧縮空気を、精留塔２
３からＮ2 ガス取出パイプ３０を経て送り込まれる製品
Ｎ2 ガスおよび放出パイプ３２を通る排ガスで冷やされ
ている熱交換器１に送り込んで超低温に冷却し、その状
態で精留塔２３の下部内に投入する。装置のスタートア
ップ時には、精留塔２３のＬＮ2 溜めにＬＮ2 をＬＮ2
収容タンク３からＬＮ2 送給パイプ７を経て供給し、Ｎ
2 ガスを発生させる。つぎに、発生したＮ2 ガスをＮ2
ガス取出パイプ３０から取り出して熱交換器１に送り込
み、常温近くまで昇温させメインパイプ３１から製品Ｎ
2ガスとして送り出す。このメインパイプ３１を通る製
品Ｎ2 ガスの一部を分岐パイプ５を経て小型ＬＮ2 貯蔵
タンク２へ供給し、パルスチューブ冷凍機４により液化
して貯蔵する。この小型ＬＮ2 貯蔵タンク２に所定量の
ＬＮ2 が溜まると、ＬＮ2 送給弁７ａを閉弁するととも
にＬＮ2 供給弁６ａを開弁し、小型ＬＮ2 貯蔵タンク２
に溜まったＬＮ2 をコンデンサー２６に供給する。一
方、精留塔２３の下部に溜った液体空気２５をコンデン
サー２６内に送り込み、小型ＬＮ2 貯蔵タンク２から供
給するＬＮ2 とともに凝縮器２７を冷却させる。この冷
却により、精留塔２３の上部から凝縮器２７に送入され
たＮ2 ガスが液化して精留塔２３用の還流液となり、第
２還流液パイプ２８ｂを経て精留塔２３に戻る。そし
て、凝縮器２７を冷却し終えた液体空気２５は気化し、
放出パイプ３２により熱交換器１に送られて熱交換器１
を冷やしたのち、空気中に放出される。他方、ＬＮ2送
給弁７ａ閉弁後は、ＬＮ2 収容タンク３内のＬＮ2 は主
として製品Ｎ2 ガスのバックアップ用に利用される。
【００１８】この実施の形態では、精留塔２３の寒冷と
して小型ＬＮ2 貯蔵タンク２に貯留するＬＮ2 を用いて
いるため、従来例のように膨脹タービン３３を用いる必
要がなく、負荷変動に対する追従運転が困難であるとい
う欠点や、故障が生じやすいという欠点がなくなる。し
かも、精留塔２３で製造したＮ2 ガスを小型ＬＮ2 貯蔵
タンク２に溜めている（すなわち、ＬＮ2 の製造が行え
る）ため、通常運転時には、ＬＮ2 収容タンク３へのＬ
Ｎ2 の補給が不必要となり、ＬＮ2 供給源の確保および
ＬＮ2 の輸送等に費用がかからない。さらに、小型ＬＮ
2 貯蔵タンク２にメインパイプ３１を通る製品Ｎ2 ガス
を導入しているため、ＬＮ2 製造量と還流液量のバラン
スに変動が生じず、製品Ｎ2 ガスの純度に悪影響を及ぼ
こともなく、装置の運転が容易になる。また、小型ＬＮ
2 貯蔵タンク２でフラッシュロスが発生せず、ＬＮ2 の
収率が低下しない。しかも、小型ＬＮ2 貯蔵タンク２の
上部圧力とメインパイプ３１の圧力（Ｎ2 の発生圧力）
とを同じにすることができるため、従来例のように、Ｌ
Ｎ2 貯蔵タンク３６の内圧を精留塔２３の内圧よりも低
圧にする必要がなく、その結果、精留塔２３を３．５ｋ
ｇ／ｃｍ2 Ｇ程度の低圧運転にすることができ、効率の
良い運転を行うことができる。
して小型ＬＮ2 貯蔵タンク２に貯留するＬＮ2 を用いて
いるため、従来例のように膨脹タービン３３を用いる必
要がなく、負荷変動に対する追従運転が困難であるとい
う欠点や、故障が生じやすいという欠点がなくなる。し
かも、精留塔２３で製造したＮ2 ガスを小型ＬＮ2 貯蔵
タンク２に溜めている（すなわち、ＬＮ2 の製造が行え
る）ため、通常運転時には、ＬＮ2 収容タンク３へのＬ
Ｎ2 の補給が不必要となり、ＬＮ2 供給源の確保および
ＬＮ2 の輸送等に費用がかからない。さらに、小型ＬＮ
2 貯蔵タンク２にメインパイプ３１を通る製品Ｎ2 ガス
を導入しているため、ＬＮ2 製造量と還流液量のバラン
スに変動が生じず、製品Ｎ2 ガスの純度に悪影響を及ぼ
こともなく、装置の運転が容易になる。また、小型ＬＮ
2 貯蔵タンク２でフラッシュロスが発生せず、ＬＮ2 の
収率が低下しない。しかも、小型ＬＮ2 貯蔵タンク２の
上部圧力とメインパイプ３１の圧力（Ｎ2 の発生圧力）
とを同じにすることができるため、従来例のように、Ｌ
Ｎ2 貯蔵タンク３６の内圧を精留塔２３の内圧よりも低
圧にする必要がなく、その結果、精留塔２３を３．５ｋ
ｇ／ｃｍ2 Ｇ程度の低圧運転にすることができ、効率の
良い運転を行うことができる。
【００１９】上記のパルスチューブ冷凍機４は、図２に
示すように、円筒状のパルスチューブ１０と、高圧Ｈｅ
ガス溜め（高圧バッファタンク）１１と、低圧Ｈｅガス
溜め（低圧バッファタンク）１２とを備えており、上記
パルスチューブ１０内でＨｅガスを膨張させることによ
り、寒冷を発生させるようにしている。このようなパル
スチューブ１０は、その冷端（低温側・ガスの入口側）
１０ａがＬＮ2 貯蔵タンク２の内部に配設されていると
ともに、その熱端（高温側）１０ｂがＬＮ2 貯蔵タンク
２の外部に配設され放熱するようになっている。１３
ａ，１３ｂは上記パルスチューブ１０の冷端１０ａおよ
び熱端１０ｂに配設される円盤状の層流化部材である。
１４ａ，１４ｂは上記パルスチューブ１０の冷端１０ａ
および熱端１０ｂに取り付けられる蓋体である。１５は
上記冷端側蓋体１４ａの中央貫通穴１４ｃに内嵌状に取
り付けられた冷端側本管であり、給気バルブ１６ａを設
けた給気管１６と排気バルブ１７ａを設けた排気管１７
に分岐している。そして、上記給気管１６の先端が高圧
Ｈｅガス源（図示せず）に連通し、上記排気管１７の先
端が低圧Ｈｅガス源（図示せず）に連通している。１８
は上記熱端側蓋体１４ｂの中央貫通穴１４ｄに内嵌状に
取り付けられた熱端側本管であり、第１バルブ１９ａを
設けた第１分岐管１９と第２バルブ２０ａを設けた第２
分岐管２０に分岐している。そして、上記第１分岐管１
９の先端が高圧Ｈｅガス溜め１１に連通し、上記第２分
岐管２０が低圧Ｈｅガス溜め１２に連通している。
示すように、円筒状のパルスチューブ１０と、高圧Ｈｅ
ガス溜め（高圧バッファタンク）１１と、低圧Ｈｅガス
溜め（低圧バッファタンク）１２とを備えており、上記
パルスチューブ１０内でＨｅガスを膨張させることによ
り、寒冷を発生させるようにしている。このようなパル
スチューブ１０は、その冷端（低温側・ガスの入口側）
１０ａがＬＮ2 貯蔵タンク２の内部に配設されていると
ともに、その熱端（高温側）１０ｂがＬＮ2 貯蔵タンク
２の外部に配設され放熱するようになっている。１３
ａ，１３ｂは上記パルスチューブ１０の冷端１０ａおよ
び熱端１０ｂに配設される円盤状の層流化部材である。
１４ａ，１４ｂは上記パルスチューブ１０の冷端１０ａ
および熱端１０ｂに取り付けられる蓋体である。１５は
上記冷端側蓋体１４ａの中央貫通穴１４ｃに内嵌状に取
り付けられた冷端側本管であり、給気バルブ１６ａを設
けた給気管１６と排気バルブ１７ａを設けた排気管１７
に分岐している。そして、上記給気管１６の先端が高圧
Ｈｅガス源（図示せず）に連通し、上記排気管１７の先
端が低圧Ｈｅガス源（図示せず）に連通している。１８
は上記熱端側蓋体１４ｂの中央貫通穴１４ｄに内嵌状に
取り付けられた熱端側本管であり、第１バルブ１９ａを
設けた第１分岐管１９と第２バルブ２０ａを設けた第２
分岐管２０に分岐している。そして、上記第１分岐管１
９の先端が高圧Ｈｅガス溜め１１に連通し、上記第２分
岐管２０が低圧Ｈｅガス溜め１２に連通している。
【００２０】このようなパルスチューブ冷凍機４の作動
は、つぎのサイクルを繰り返すことにより行う。まず、
図３に示すように、給気バルブ１６ａ，排気バルブ１７
ａおよび第２バルブ２０ａを閉弁する。この状態で、パ
ルスチューブ１０内は低圧Ｈｅガス源の内圧と同一圧力
となっている。ついで、第１バルブ１９ａを開弁する
と、高圧Ｈｅガス溜め１１内の高圧Ｈｅガスがパルスチ
ューブ１０の熱端１０ｂに流れ込み、パルスチューブ１
０内のガス圧は高圧Ｈｅガス溜め１１の圧力近くまで上
昇する。この過程Ｐのパルスチューブ１０内の気体分布
が図３に示されている。図３において、Ｄは高圧Ｈｅガ
ス溜め１１から導入された高圧Ｈｅガスで、Ｂ，Ｃは低
圧から高圧になったパルスチューブ１０内のＨｅガスで
ある。
は、つぎのサイクルを繰り返すことにより行う。まず、
図３に示すように、給気バルブ１６ａ，排気バルブ１７
ａおよび第２バルブ２０ａを閉弁する。この状態で、パ
ルスチューブ１０内は低圧Ｈｅガス源の内圧と同一圧力
となっている。ついで、第１バルブ１９ａを開弁する
と、高圧Ｈｅガス溜め１１内の高圧Ｈｅガスがパルスチ
ューブ１０の熱端１０ｂに流れ込み、パルスチューブ１
０内のガス圧は高圧Ｈｅガス溜め１１の圧力近くまで上
昇する。この過程Ｐのパルスチューブ１０内の気体分布
が図３に示されている。図３において、Ｄは高圧Ｈｅガ
ス溜め１１から導入された高圧Ｈｅガスで、Ｂ，Ｃは低
圧から高圧になったパルスチューブ１０内のＨｅガスで
ある。
【００２１】つぎに、図４に示すように、第１バルブ１
９ａを開弁した状態で給気バルブ１６ａのみを開弁する
（その他のバルブ１７ａ，２０ａは元のまま）と、高圧
Ｈｅガス源から高圧Ｈｅガスが供給されてパルスチュー
ブ１０の冷端１０ａに流入する。このとき、高圧Ｈｅガ
ス源の給気圧力が高圧Ｈｅガス溜め１１の圧力よりやや
高く設定されており、上記過程Ｐでパルスチューブ１０
の熱端１０ｂに流れ込んだ高圧Ｈｅガス溜め１１の高圧
ガスＤ（図３参照）はただちに高圧Ｈｅガス溜め１１内
に戻される。この過程Ｑは基本的には等圧給気過程であ
り、パルスチューブ１０内の気体分布が図４に示されて
いる。図４において、Ａは高圧Ｈｅガス源からパルスチ
ューブ１０内に導入された高圧Ｈｅガスである。
９ａを開弁した状態で給気バルブ１６ａのみを開弁する
（その他のバルブ１７ａ，２０ａは元のまま）と、高圧
Ｈｅガス源から高圧Ｈｅガスが供給されてパルスチュー
ブ１０の冷端１０ａに流入する。このとき、高圧Ｈｅガ
ス源の給気圧力が高圧Ｈｅガス溜め１１の圧力よりやや
高く設定されており、上記過程Ｐでパルスチューブ１０
の熱端１０ｂに流れ込んだ高圧Ｈｅガス溜め１１の高圧
ガスＤ（図３参照）はただちに高圧Ｈｅガス溜め１１内
に戻される。この過程Ｑは基本的には等圧給気過程であ
り、パルスチューブ１０内の気体分布が図４に示されて
いる。図４において、Ａは高圧Ｈｅガス源からパルスチ
ューブ１０内に導入された高圧Ｈｅガスである。
【００２２】つぎに、図５に示すように、第１バルブ１
９ａと給気バルブ１６ａを閉弁したのち（排気バルブ１
７ａは閉弁したたまま）、第２バルブ２０ａを開弁する
と、パルスチューブ１０の熱端１０ｂのガスＣ（図４参
照）が低圧Ｈｅガス溜め１２に流入する（戻る）ため、
パルスチューブ１０内の圧力が低圧ガス溜め１２の圧力
まで低下する。すなわち、上記過程Ｑにおいてパルスチ
ューブ１０の冷端１０ａに入った高圧ＨｅガスＡは、Ｈ
ｅガスＢとともに低圧Ｈｅガス溜め１２の圧力まで膨脹
し、温度降下してパルスチューブ１０の冷端１０ａ側を
冷却する。この過程Ｒのパルスチューブ１０内の気体分
布が図５に示されている。
９ａと給気バルブ１６ａを閉弁したのち（排気バルブ１
７ａは閉弁したたまま）、第２バルブ２０ａを開弁する
と、パルスチューブ１０の熱端１０ｂのガスＣ（図４参
照）が低圧Ｈｅガス溜め１２に流入する（戻る）ため、
パルスチューブ１０内の圧力が低圧ガス溜め１２の圧力
まで低下する。すなわち、上記過程Ｑにおいてパルスチ
ューブ１０の冷端１０ａに入った高圧ＨｅガスＡは、Ｈ
ｅガスＢとともに低圧Ｈｅガス溜め１２の圧力まで膨脹
し、温度降下してパルスチューブ１０の冷端１０ａ側を
冷却する。この過程Ｒのパルスチューブ１０内の気体分
布が図５に示されている。
【００２３】つぎに、図６に示すように、排気バルブ１
７ａを開弁する（その他のバルブ１６ａ，１９ａ，２０
ａは元のまま）と、上記過程Ｒにおいてパルスチューブ
１０内で膨脹したＨｅガスＡが低圧Ｈｅガス源に排出さ
れ、低圧Ｈｅガス溜め１２の低圧Ｈｅガスがパルスチュ
ーブ１０内に流入する。
７ａを開弁する（その他のバルブ１６ａ，１９ａ，２０
ａは元のまま）と、上記過程Ｒにおいてパルスチューブ
１０内で膨脹したＨｅガスＡが低圧Ｈｅガス源に排出さ
れ、低圧Ｈｅガス溜め１２の低圧Ｈｅガスがパルスチュ
ーブ１０内に流入する。
【００２４】こうして１サイクルが終わり、ついで新た
に上記過程Ｐが始まる。このように循環してワークする
ので、高圧Ｈｅガスは、不断に膨脹して低圧となる。気
体のパルスチューブ１０内における熱伝導、混合と、流
動によるロスとを考慮しない場合、高圧Ｈｅガス溜め１
１内の圧力は高圧Ｈｅガス源の給気圧力に、また低圧Ｈ
ｅガス溜め１２内の圧力は低圧Ｈｅガス源の内圧にそれ
ぞれ等しい。そして、上記の１サイクルが終わると、結
局ＨｅガスＡが高圧Ｈｅガス源からパルスチューブ１０
内に入り、このパルスチューブ１０内で断熱膨脹し寒冷
を発生したのち、低圧Ｈｅガス源内に排出されたことに
なる。また、ＨｅガスＢは常にパルスチューブ１０内で
ガスピストンの役割を演じ、Ｃ，Ｄはそれぞれ各Ｈｅガ
ス溜め１１，１２から出入りしているだけである。
に上記過程Ｐが始まる。このように循環してワークする
ので、高圧Ｈｅガスは、不断に膨脹して低圧となる。気
体のパルスチューブ１０内における熱伝導、混合と、流
動によるロスとを考慮しない場合、高圧Ｈｅガス溜め１
１内の圧力は高圧Ｈｅガス源の給気圧力に、また低圧Ｈ
ｅガス溜め１２内の圧力は低圧Ｈｅガス源の内圧にそれ
ぞれ等しい。そして、上記の１サイクルが終わると、結
局ＨｅガスＡが高圧Ｈｅガス源からパルスチューブ１０
内に入り、このパルスチューブ１０内で断熱膨脹し寒冷
を発生したのち、低圧Ｈｅガス源内に排出されたことに
なる。また、ＨｅガスＢは常にパルスチューブ１０内で
ガスピストンの役割を演じ、Ｃ，Ｄはそれぞれ各Ｈｅガ
ス溜め１１，１２から出入りしているだけである。
【００２５】図７は本発明の空気分離装置の他の実施の
形態を示している。この実施の形態では、図１の空気分
離装置において、小型ＬＮ2 貯蔵タンク２（開閉弁２ｃ
付きパイプ２ｂは図示せず）を精留塔２３よりも上方に
配設し、この小型ＬＮ2 貯蔵タンク２から延びるＬＮ2
供給パイプ６を精留塔２３の上部に接続し、これによ
り、小型ＬＮ2 貯蔵タンク２内のＬＮ2 を液ヘッドを利
用して精留塔２３の上部のＬＮ2 溜めに導入するように
している。それ以外の部分は図１に示す空気分離装置と
同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。こ
の実施の形態でも、上記実施の形態の同様に作用し、同
様の効果を奏する。
形態を示している。この実施の形態では、図１の空気分
離装置において、小型ＬＮ2 貯蔵タンク２（開閉弁２ｃ
付きパイプ２ｂは図示せず）を精留塔２３よりも上方に
配設し、この小型ＬＮ2 貯蔵タンク２から延びるＬＮ2
供給パイプ６を精留塔２３の上部に接続し、これによ
り、小型ＬＮ2 貯蔵タンク２内のＬＮ2 を液ヘッドを利
用して精留塔２３の上部のＬＮ2 溜めに導入するように
している。それ以外の部分は図１に示す空気分離装置と
同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。こ
の実施の形態でも、上記実施の形態の同様に作用し、同
様の効果を奏する。
【００２６】なお、上記各実施の形態では、冷凍機とし
て、パルスチューブ冷凍機４を用いているが、これに限
定するものではなく、ＧＭ（ギフォード・マクマホン）
冷凍機，スターリング冷凍機等を用いることができる。
これらの冷凍機の冷媒としては、Ｈｅが好適に用いられ
る。また、上記各実施の形態では、Ｎ2 ガスを製造する
空気分離装置が示されているが、これに限定するもので
はなく、Ｎ2 ガス以外にＯ2 やＡｒを製造するようにし
てもよい。
て、パルスチューブ冷凍機４を用いているが、これに限
定するものではなく、ＧＭ（ギフォード・マクマホン）
冷凍機，スターリング冷凍機等を用いることができる。
これらの冷凍機の冷媒としては、Ｈｅが好適に用いられ
る。また、上記各実施の形態では、Ｎ2 ガスを製造する
空気分離装置が示されているが、これに限定するもので
はなく、Ｎ2 ガス以外にＯ2 やＡｒを製造するようにし
てもよい。
【００２７】また、各実施の形態において、パルスチュ
ーブ冷凍機４が故障した場合や、精留塔２３のＮ2 発生
量が増大した（原料空気が増大した）場合に、補助とし
て、ＬＮ2 収容タンク３のＬＮ2 を精留塔２３もしくは
コンデンサー２６に供給するようにしてもよい。また、
上記パルスチューブ冷凍機４において、各バルブ１６
ａ，１７ａ，１９ａ，２０ａのタイプとして電動バル
ブ、電磁バルブ、気動バルブまたは回転バルブ等が用い
られる。
ーブ冷凍機４が故障した場合や、精留塔２３のＮ2 発生
量が増大した（原料空気が増大した）場合に、補助とし
て、ＬＮ2 収容タンク３のＬＮ2 を精留塔２３もしくは
コンデンサー２６に供給するようにしてもよい。また、
上記パルスチューブ冷凍機４において、各バルブ１６
ａ，１７ａ，１９ａ，２０ａのタイプとして電動バル
ブ、電磁バルブ、気動バルブまたは回転バルブ等が用い
られる。
【００２８】
【発明の効果】以上のように、本発明の空気分離方法に
よれば、精留塔の空気液化用の寒冷源として冷凍機の冷
熱を利用しており、膨脹タービンを利用していないた
め、膨脹タービンを利用した場合の欠点（すなわち、膨
脹タービンは１分間に数万回と高速回転するため、負荷
変動に対する追従運転が困難であり、かつ故障が生じや
すいという欠点）がなくなる。一方、本発明の空気分離
装置では、精留塔から気体状態で取り出した成分
（Ｎ2 ，Ｏ2 ，Ａｒ等）の一部を貯蔵手段に導入し、こ
れを冷凍機により液化して貯蔵手段内に溜め、この貯留
した液化成分（ＬＮ2 ，ＬＯ2 ，ＬＡｒ等）を精留塔も
しくは精留塔の還流液生成用の凝縮器に供給することに
より、精留塔の空気液化用の寒冷を得るようにしてい
る。このように、本発明の装置では、膨脹タービンを用
いることなく、冷凍機の冷熱を利用して精留塔の空気液
化用の寒冷を得ることができ、本発明の方法と同様の作
用効果を奏する。しかも、本発明の装置では、精留塔か
ら気体状態で取り出した成分を液化して貯蔵手段に溜め
ていることから、寒冷として用いる液化成分の製造を行
うこともできる。しかも、本発明の装置では、精留塔に
て上記の成分を気体状態で製造したのち、その一部を貯
蔵手段に導入して冷凍機により液化し貯蔵しているた
め、従来例では生じたフラッシュロスが生じなくなり、
収率が向上するうえ、上記の成分の製造量と還流液量と
のバランスに変動が生じることもなく、上記の成分の純
度が劣化しない。
よれば、精留塔の空気液化用の寒冷源として冷凍機の冷
熱を利用しており、膨脹タービンを利用していないた
め、膨脹タービンを利用した場合の欠点（すなわち、膨
脹タービンは１分間に数万回と高速回転するため、負荷
変動に対する追従運転が困難であり、かつ故障が生じや
すいという欠点）がなくなる。一方、本発明の空気分離
装置では、精留塔から気体状態で取り出した成分
（Ｎ2 ，Ｏ2 ，Ａｒ等）の一部を貯蔵手段に導入し、こ
れを冷凍機により液化して貯蔵手段内に溜め、この貯留
した液化成分（ＬＮ2 ，ＬＯ2 ，ＬＡｒ等）を精留塔も
しくは精留塔の還流液生成用の凝縮器に供給することに
より、精留塔の空気液化用の寒冷を得るようにしてい
る。このように、本発明の装置では、膨脹タービンを用
いることなく、冷凍機の冷熱を利用して精留塔の空気液
化用の寒冷を得ることができ、本発明の方法と同様の作
用効果を奏する。しかも、本発明の装置では、精留塔か
ら気体状態で取り出した成分を液化して貯蔵手段に溜め
ていることから、寒冷として用いる液化成分の製造を行
うこともできる。しかも、本発明の装置では、精留塔に
て上記の成分を気体状態で製造したのち、その一部を貯
蔵手段に導入して冷凍機により液化し貯蔵しているた
め、従来例では生じたフラッシュロスが生じなくなり、
収率が向上するうえ、上記の成分の製造量と還流液量と
のバランスに変動が生じることもなく、上記の成分の純
度が劣化しない。
【図１】本発明の空気分離装置の一実施の形態を示す構
成図である。
成図である。
【図２】パルスチューブ冷凍機の説明図である。
【図３】上記パルスチューブ冷凍機の作用を示す説明図
である。
である。
【図４】上記パルスチューブ冷凍機の作用を示す説明図
である。
である。
【図５】上記パルスチューブ冷凍機の作用を示す説明図
である。
である。
【図６】上記パルスチューブ冷凍機の作用を示す説明図
である。
である。
【図７】本発明の空気分離装置の他の実施の形態を示す
構成図である。
構成図である。
【図８】従来例を示す構成図である。
１ 熱交換器 ２ 小型ＬＮ2 貯蔵タンク ２ａ ＬＮ2 ３ ＬＮ2 収容タンク ４ パルスチューブ冷凍機 ６ ＬＮ2 供給パイプ ２３ 精留塔
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 垣見 康浩 大阪府堺市築港新町２丁６番地40 大同 ほくさん株式会社 堺工場内 (72)発明者 菊池 延尚 大阪府堺市築港新町２丁６番地40 大同 ほくさん株式会社 堺工場内 (56)参考文献 特開 平５−272865（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−205072（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−4872（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−4874（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F25J 3/04 F25B 9/00 311
Claims (5)
- 【請求項１】 原料空気を圧縮したのち圧縮空気中の不
純物を除去し、ついで熱交換器で冷媒と熱交換させて冷
却したのち精留塔に導入し、精留塔で圧縮空気を各成分
の沸点差を利用して分離し所望の成分を気体状態で取り
出す空気分離方法であって、精留塔の空気液化用の寒冷
源として冷凍機の冷熱を利用することを特徴とする空気
分離方法。 - 【請求項２】 外部より取り入れた空気を圧縮する空気
圧縮手段と、この空気圧縮手段によって圧縮された圧縮
空気中の不純物を除去する除去手段と、この除去手段を
経た圧縮空気を冷却する熱交換器と、この熱交換器を経
由し低温に冷却された圧縮空気を各成分の沸点差を利用
して分離し所望の成分を気体状態で取り出す精留塔とを
備えた空気分離装置であって、上記精留塔から気体状態
で取り出した成分の一部を導入する貯蔵手段と、この貯
蔵手段に導入した気体状態の成分を液化して上記貯蔵手
段内に溜める冷凍機と、この冷凍機で液化され上記貯蔵
手段内に溜められた液化成分を取り出し精留塔もしくは
精留塔の還流液生成用の凝縮器に供給する供給パイプと
を設けたことを特徴とする空気分離装置。 - 【請求項３】 冷凍機がＨｅ（ヘリウム）を利用した冷
凍機である請求項２記載の空気分離装置。 - 【請求項４】 冷凍機がＧＭ冷凍機，スターリング冷凍
機およびパルスチューブ冷凍機のいずれかである請求項
３記載の空気分離装置。 - 【請求項５】 精留塔で取り出される成分がＮ2 ，Ｏ2
およびＡｒの少なくとも１つである請求項２記載の空気
分離装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP00542997A JP3217005B2 (ja) | 1997-01-16 | 1997-01-16 | 空気分離方法およびそれに用いる装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP00542997A JP3217005B2 (ja) | 1997-01-16 | 1997-01-16 | 空気分離方法およびそれに用いる装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10206010A JPH10206010A (ja) | 1998-08-07 |
| JP3217005B2 true JP3217005B2 (ja) | 2001-10-09 |
Family
ID=11610950
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP00542997A Expired - Fee Related JP3217005B2 (ja) | 1997-01-16 | 1997-01-16 | 空気分離方法およびそれに用いる装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3217005B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2590247B (en) * | 2018-07-24 | 2022-11-02 | Tayefeh Hojaty | A multi-purpose cooking set |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6269658B1 (en) * | 2000-06-28 | 2001-08-07 | Praxair Technology, Inc. | Cryogenic rectification system with pulse tube refrigeration |
| CN103983086B (zh) * | 2014-05-19 | 2016-03-30 | 杭州杭氧股份有限公司 | 一种适用于煤制甲醇装置中的合成气分离系统及深冷分离制lng的方法 |
-
1997
- 1997-01-16 JP JP00542997A patent/JP3217005B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2590247B (en) * | 2018-07-24 | 2022-11-02 | Tayefeh Hojaty | A multi-purpose cooking set |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10206010A (ja) | 1998-08-07 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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