JP3331415B2 - 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】
【０００１】
【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、詳しくは、製品ガスや製品液化ガスの需要
変動あるいは電力料金の昼夜の差に対して、原料空気を
精留分離する空気精留分離部における精留塔の運転条件
を最適な状態に保って効率よく、低コストで運転するこ
とができる空気液化分離方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来か
ら、空気を原料として液化精留分離により、酸素，窒
素，アルゴン等の各種ガス，液化ガスを製造することが
行われている。このような空気液化分離装置において、
製品酸素ガスや製品窒素ガスの需要変動に対応するよう
に構成したものが各種開発されている。
【０００３】例えば、特公昭６１−５１２３３号公報や
特開平３−６３４９０号公報に記載されている装置で
は、製品酸素ガスの需要変動に対応するため、液化酸素
貯槽，液化窒素貯槽，液化空気貯槽等の設備を設け、液
化酸素，液化窒素，液化空気を必要に応じてそれぞれ導
入，導出するようにしている。
【０００４】しかしながら、上述の装置で需要が変動し
た場合、液化ガスの流れ方向を逆にしたり、寒冷量を調
節するために膨張タービンの流量を変化させたり、ある
いは原料空気の供給量を変化させたりする必要がある。
【０００５】これにより、各部の流量が変化して精留塔
内の操作条件が変化し、精留効率が低下することがある
だけでなく、需要変動に応じて各部が安定運転するよう
になるまで時間がかかるという問題があった。
【０００６】また、空気液化分離装置として、液化ガス
を多く採取するものでは、装置の運転に多くの寒冷量を
必要とすることから、精留塔を含む空気精留分離部にガ
ス液化サイクル部を付設し、該ガス液化サイクル部で製
造した液化ガスを空気精留分離部の寒冷源として精留塔
内に供給するものが知られている（特開平３−６３４９
０号公報参照）。
【０００７】このようなガス液化サイクル部を有する空
気液化分離装置においては、全体の設備消費電力の内６
０〜７０％がガス液化サイクル部で消費されており、運
転コストの大半を占めていた。
【０００８】一方、圧縮機等を駆動するための電力は、
昼間の料金に比べて夜間が安く設定されているため、昼
間には圧縮機をできるだけ抑えて運転し、夜間に増量運
転することが望ましい。したがって、上述の空気液化分
離装置においても、ガス液化サイクル部を夜間の電力料
金の安い時間帯のみに運転するようにすれば、全体の設
備消費電力を大幅に低減することが可能となる。
【０００９】しかしながら、ガス液化サイクル部を昼間
等に停止させると、夜間等に空気精留分離部から導出さ
れてガス液化サイクル部に供給されていたガスの供給先
が無くなるため、空気精留分離部の処理量を減らす減量
運転を行わければならず、装置の運転状態を変化させな
ければならない。また、装置の安定運転を継続するため
に減量運転を行わない場合は、このガスを外部に放出し
なければならなかった。
【００１０】一方、通常の空気液化分離装置には、その
前処理設備として、原料空気中の水分，二酸化炭素等を
吸着除去する吸着器が設けられるとともに、該吸着器に
導入する原料空気を冷却するための冷却設備が設けられ
ている。この冷却設備としては、通常、冷却水と原料空
気とを直接接触させて原料空気を冷却するとともに、原
料空気中の極微細な塵埃や水溶性不純物を除去すること
ができる水洗冷却塔が広く用いられており、その付帯設
備として、冷却水を所定温度に冷却するための冷凍機が
設置されている。
【００１１】そこで本発明は、上述のガス液化サイクル
部を昼間の電力料金が高い時間帯に停止させたときの、
空気精留分離部から導出されるガスの有効利用を図り、
空気精留分離部を安定した状態で運転することができる
とともに、運転コストの低減も図れ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。
【００１２】
【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、本発明の空気液化分離方法は、圧縮機で圧縮した
原料空気を冷却水で冷却した後、吸着器に導入して精製
し、次いで冷却して精留を行い、酸素，窒素等を分離す
る空気液化分離方法において、空気精留分離部から導出
したガスを液化用ガスとして、特定の時間帯のみ運転さ
れるガス液化サイクル部に導入し液化して貯槽に貯留
し、該貯槽内の液化ガスを前記空気精留分離部に運転用
寒冷源として常時供給するとともに、前記ガス液化サイ
クル部の運転停止時には、前記液化用ガスを原料空気冷
却用冷却水の冷却用ガスとして切換使用することを特徴
としている。
【００１３】また、本発明の空気液化分離装置は、圧縮
機で圧縮した原料空気を冷却水で冷却する水洗冷却塔及
び該原料空気中の水分，二酸化炭素等を吸着除去して精
製する吸着器を備えた前処理設備と、精製後の原料空気
を冷却して精留を行い、酸素，窒素等を分離する空気精
留分離部と、特定の時間帯のみ運転されるガス液化サイ
クル部と、前記空気精留分離部から導出したガスを前記
ガス液化サイクル部に導入する液化用ガス供給系統と、
前記ガス液化サイクル部で液化した液化ガスを貯留する
貯槽と、該貯槽内の液化ガスを前記空気精留分離部に運
転用寒冷源として常時供給する液化ガス供給系統と、前
記ガス液化サイクル部の運転停止時に、前記空気精留分
離部から導出されるガスを前記原料空気冷却用冷却水を
冷却する冷水塔に供給する冷却用ガス供給系統と、該冷
却用ガス供給系統と前記液化用ガス供給系統とを切り換
える切換弁とを備えていることを特徴としている。
【００１４】
【作 用】上記構成によれば、夜間の電力料金の安い時
間帯に前記ガス液化サイクル部を運転し、得られた液化
ガスを空気精留分離部に供給しながら貯槽内に貯留し、
昼間の電力料金が高い時間帯にはガス液化サイクル部を
停止させて貯槽内の液化ガスを使用するようにすること
により、安価な電力を使用して効率よく空気液化分離装
置を運転することができるとともに、ガス液化サイクル
部の停止時に、空気精留分離部から導出されるガスを冷
却水の冷却源に用いることにより、冷却水冷却用に設置
されている冷凍機の消費電力も低減することができる。
【００１５】
【実施例】以下、本発明を、図１に示す一実施例に基づ
いてさらに詳細に説明する。本実施例に示す空気液化分
離装置は、従来のガス液化サイクル部を有する装置と略
同様に、空気精留分離部Ａ，ガス液化サイクル部Ｂ，前
処理設備Ｃとにより構成されており、原料空気圧縮機１
で圧縮した原料空気を液化精留分離して、例えば酸素ガ
スや液化酸素を製品として採取するものである。
【００１６】なお、空気精留分離部Ａ及びガス液化サイ
クル部Ｂの内部構成は、従来から周知の構成、即ち、空
気精留分離部Ａにおいては主熱交換器，精留塔，凝縮器
等からなる構成であり、ガス液化サイクル部Ｂにおいて
は、圧縮機，熱交換器，膨張タービン等からなる構成で
あり、採取する製品の種類や形態、液化するガスの種類
等に応じて適宜最適な構成を選択することが可能なた
め、これらの詳細な説明及び図示は省略する。
【００１７】まず、原料空気圧縮機１で所定圧力に昇圧
された原料空気は、水洗冷却塔２に導入され、冷却水に
より冷却されるとともに微細な塵埃や水溶性不純物等が
洗い流される。この水洗冷却塔２には、冷却水を所定温
度、例えば６℃に冷却するための冷水塔２１と冷凍機２
２とが付設されており、冷却水供給管２３から供給され
た常温の冷却水は、一部が冷水塔２１や冷凍機２２で冷
却されてポンプ２４により水洗冷却塔２の頂部に導入さ
れ、水洗冷却塔２の中段に導入された常温の冷却水と共
に管２５を経て循環する。
【００１８】次いで、原料空気は、切換え使用される一
対の吸着器３ａ，３ｂを備えた吸着設備３に導入され、
水分，二酸化炭素等の不純物が吸着除去される。なお、
吸着設備３には、後述の排ガスが吸着剤再生用に用いら
れており、吸着器前後の各弁を切換えて両吸着器を吸着
工程と再生工程とに切換えている。
【００１９】上記前処理設備Ｃで精製された原料空気
は、管４から空気精留分離部Ａに導入され、周知の液化
精留操作により、窒素，酸素，アルゴン等に分離する。
即ち、原料空気は、主熱交換器で冷却された後、下部
塔，上部塔からなり、凝縮器を備えた精留塔に導入さ
れ、精留分離されて管５から高純度窒素ガスＧＮが、管
６から製品液化酸素ＬＯが、管７から製品酸素ガスＧＯ
が、管８から排ガスＷＧが、それぞれ導出される。
【００２０】また、ガス液化サイクル部Ｂは、管５から
採取される窒素ガスの一部を液化用ガスとして、液化用
ガス供給系統である管９に分岐し、ガス液化サイクル部
Ｂ内の圧縮機，循環熱交換器，膨張弁，気液分離器，膨
張タービン等を介して液化し、管１０から液化窒素貯槽
１１に導出する。この液化窒素貯槽１１内の液化窒素
は、空気精留分離部Ａが必要とする寒冷量に相当する量
が液化ガスポンプ１２で送出され、空気精留分離部Ａ内
の所定の部分に運転用寒冷源として常時供給される。な
お、貯槽１１内の圧力が十分に高い場合には、液化ガス
ポンプ１２は不要である。
【００２１】ここで、上記ガス液化サイクル部Ｂの液化
能力と液化窒素貯槽１１の容量を適当に設定することに
より、ガス液化サイクル部Ｂの運転状態に関係無く常時
一定量の液化窒素を空気精留分離部Ａに供給することが
可能になる。例えば、電力料金の安価な夜間にガス液化
サイクル部Ｂを運転して液化窒素を貯槽１１内に貯え、
電力料金の高い昼間はガス液化サイクル部Ｂを停止させ
て貯槽１１内の液化窒素を空気精留分離部Ａに供給する
ようにすることが可能になる。
【００２２】さらに、液化窒素貯槽１１内の液化窒素
は、必要に応じて製品液化窒素ＬＮとして取り出すこと
ができ、また、需要増大時のバックアップとして気化圧
送することもできる。また、酸素の需要変動に対応する
場合には、ガス液化サイクル部Ｂに酸素ガスを導入して
液化したり、あるいは上記ガス液化サイクル部Ｂで得た
液化窒素を寒冷源として酸素ガスを液化するように、熱
交換器と液化酸素貯槽と配管とを適宜に設ければよい。
【００２３】また、電力料金を考慮した場合は、上記ガ
ス液化サイクル部Ｂの運転を電力料金の安価な時間帯、
即ち夜間や休日等に行い、昼間の電力料金の高い時間帯
はガス液化サイクル部Ｂを止めることにより、電力を有
効に利用した運転を行うことができ、製品の電力源単位
を大幅に低減することが可能となる。
【００２４】さらに、上記ガス液化サイクル部Ｂの運転
及び停止に際しても、寒冷源となる液化窒素を液化窒素
貯槽１１から常時一定量を精留塔に供給することによ
り、運転切替え時の状態変化を生じることがなく、運転
モードの切替えに際しての運転操作の繁雑さを無くして
短時間内に切替操作を終了させることができ、また、モ
ード切替えに際して精留分離部Ａの状態は、液化サイク
ル部Ｂの状態変化の影響を全く受けることがなく、安定
した運転を継続でき、特に、精留塔の操作状態を常に一
定にできることから、アルゴン採取系統を備えた空気液
化分離装置においては、アルゴンの採取を高効率で行う
ことができる。
【００２５】そして、上記のようにガス液化サイクル部
Ｂを運転したり、停止したりする場合、運転時には管５
に導出された窒素ガスは、そんほとんど全量がガス液化
サイクル部Ｂに供給され、液化されて液化窒素貯槽１１
に貯留される状態となるが、ガス液化サイクル部Ｂの停
止時には、管５に導出された窒素ガスの全量が冷却用ガ
スとして、冷却用ガス供給系統である管１３側に流れる
ことになる。なお、管５から管９と管１３との分岐部に
は、窒素ガスの流れを切り換える切換弁、例えば開閉弁
９ａ，１３ａが設けられている。
【００２６】そこで、本実施例では、開閉弁９ａを閉
じ、開閉弁１３ａを開くことにより、管１３に導出され
た窒素ガスを管１４を介して前記水洗冷却塔２で使用す
る冷却水の冷却用に用いるようにしている。すなわち、
水洗冷却塔２に冷却水を供給する前記冷水塔２１の下部
に上記窒素ガスを導入するとともに上部から冷却水を導
入して両者を向流接触させることにより、窒素ガス及び
窒素ガス中の含有水分の潜熱及び顕熱で冷却水を冷却す
るようにしている。
【００２７】このように、ガス液化サイクル部Ｂの停止
時に余剰となる窒素ガスを冷却水の冷却源として用いる
ことにより、該冷却水を冷却するために設けられている
冷凍機２２の負担を大幅に軽減し、窒素ガス導入中は冷
凍機２２を停止することもできる。また、これにより、
冷凍機２２は、ガス液化サイクル部Ｂが運転中、即ち電
力料金の安価な時間帯に稼働し、電力料金が高価な時間
帯には停止することになるので、電力の有効利用と電力
コストの節減を図れる。
【００２８】例えば、原料空気を２８０００Ｎｍ3 ／ｈ
（圧縮機出口温度８０℃）、窒素ガス導出量を２１００
０Ｎｍ3 ／ｈ（導出温度１１℃）とし、水洗冷却塔２の
塔頂部に導入する冷却水を６℃，１３ｍ3 ／ｈとして原
料空気を９℃まで冷却する場合、ガス液化サイクル部Ｂ
が運転中で冷凍機２２により１３ｍ3 ／ｈの冷却水を例
えば３０℃から６℃に冷却するためには、通常、１０４
ｋｗ／ｈの電力が必要であるが、ガス液化サイクル部Ｂ
が停止したときに余剰となる窒素ガスを冷水塔２１に導
入して同様に１３ｍ3 ／ｈの冷却水を３０℃から６℃に
冷却するとすれば、約１７０００Ｎｍ3 ／ｈの窒素ガス
を用いれば十分である。
【００２９】したがって、従来外部に放出されていた２
１０００Ｎｍ3 ／ｈの窒素ガスの内、１７０００Ｎｍ3
／ｈを冷水塔２１に供給すれば、冷凍機２２を止めるこ
とができ、１０４ｋｗ／ｈの電力を削減することができ
る。
【００３０】なお、上記空気精留分離部及びガス液化サ
イクル部の構成は、前述のように採取する製品の種類等
に応じて適宜最適な構成とすることができる。即ち、本
実施例は、窒素ガスを液化する場合について説明を行っ
たが、酸素や原料空気の一部を液化する場合にも適用す
ることができる。また、空気精留分離部には、寒冷発生
手段を有しない場合が効果が大であるが、寒冷発生手段
を有している場合でも同様に適用することができる。さ
らに、各種製品ガスの需要量が少なくなったときに、余
剰となるガスを上記冷却水の冷却源として用いることも
できる。
【００３１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ガス液化サイクル部の運転・停止に関係なく、精留塔を
含む空気精留分離部を安定した状態で運転することがで
きるとともに、ガス液化サイクル部の停止により余剰と
なるガスを原料空気冷却用冷却水の冷却源として用いる
ので、該冷却水冷却用の冷凍機の動力費を低減すること
ができ、製品の製造コストを大幅に低減することが可能
になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 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。
【符号の説明】
Ａ…空気精留分離部 Ｂ…ガス液化サイクル部 Ｃ
…前処理設備 １…原料空気圧縮機 ２…水洗冷却塔 ２１…冷水塔 ２２…冷凍機
２３…冷却水供給管 ３…吸着設備 ３ａ，３ｂ…吸着器 １１…液化窒素貯槽

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 圧縮機で圧縮した原料空気を冷却水で冷
    却した後、吸着器に導入して精製し、次いで冷却して精
    留を行い、酸素，窒素等を分離する空気液化分離方法に
    おいて、空気精留分離部から導出したガスを液化用ガス
    として、特定の時間帯のみ運転されるガス液化サイクル
    部に導入し液化して貯槽に貯留し、該貯槽内の液化ガス
    を前記空気精留分離部に運転用寒冷源として常時供給す
    るとともに、前記ガス液化サイクル部の運転停止時に
    は、前記液化用ガスを原料空気冷却用冷却水の冷却用ガ
    スとして切換使用することを特徴とする空気液化分離方
    法。
  2. 【請求項２】 圧縮機で圧縮した原料空気を冷却水で冷
    却する水洗冷却塔及び該原料空気中の水分，二酸化炭素
    等を吸着除去して精製する吸着器を備えた前処理設備
    と、精製後の原料空気を冷却して精留を行い、酸素，窒
    素等を分離する空気精留分離部と、特定の時間帯のみ運
    転されるガス液化サイクル部と、前記空気精留分離部か
    ら導出したガスを前記ガス液化サイクル部に導入する液
    化用ガス供給系統と、前記ガス液化サイクル部で液化し
    た液化ガスを貯留する貯槽と、該貯槽内の液化ガスを前
    記空気精留分離部に運転用寒冷源として常時供給する液
    化ガス供給系統と、前記ガス液化サイクル部の運転停止
    時に、前記空気精留分離部から導出されるガスを前記原
    料空気冷却用冷却水を冷却する冷水塔に供給する冷却用
    ガス供給系統と、該冷却用ガス供給系統と前記液化用ガ
    ス供給系統とを切り換える切換弁とを備えていることを
    特徴とする空気液化分離装置。
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