JP3414947B2 - アルゴン精製方法および空気分離装置 - Google Patents

アルゴン精製方法および空気分離装置

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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、空気分離過程にお
いて、アルゴンを分離、精製する技術分野に属し、さら
に詳しくは、空気を圧縮し、予備浄化し、冷却し、下部
の高圧段と上部の低圧段を備えた2段精留塔に導入して
酸素富化成分と窒素富化成分に分離し、その際、2段精
留塔の低圧段の底部からアルゴンに富んだ酸素成分を抜
き出し、これをアルゴン塔に導入してアルゴンを分離す
るアルゴン精製技術分野に属するものである。 【0002】 【従来の技術】アルゴンの精製方法は、空気分離装置に
おいて、空気を圧縮し、予備浄化し、冷却し、下部の高
圧精留段(以下高圧段という)と上部の低圧精留段(以
下低圧段という)を備えた2段精留塔に導入して酸素富
化成分と窒素富化成分に分離し、その際、前記2段精留
塔の低圧段からアルゴンに富んだ酸素成分を抜き出し、
これを粗アルゴン精留プロセスにて粗アルゴンを取り出
し、この粗アルゴンを純アルゴン精留プロセスにて純ア
ルゴンに精製している。このアルゴンの精製方法は、特
公平7-81781 号公報に開示されている。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の方法で
は、粗アルゴン塔の頂部から取り出されたアルゴン(粗
アルゴン)には窒素が残留し、この窒素を除去するため
に粗アルゴン塔とは別に純アルゴン塔が必要となる。し
たがって、純アルゴン塔の製造コストがかかるというだ
けでなく、純アルゴン塔を設置するスペースが必要とな
る。すなわち、2段精留塔の低圧段中間部から取り出し
た富アルゴンは酸素と窒素を含んでいるため、これらを
分離する粗アルゴン塔と純アルゴン塔が必要である。 【0004】すなわち、従来方式では、3成分の分離に
際して、2段精留塔の低圧段で窒素富化成分と酸素富化
成分の分離、粗アルゴン塔でアルゴンと酸素の分離、純
アルゴン塔でアルゴンと窒素の分離を行っている。しか
し、分離を最小限の塔で行おうとすれば、一つの塔で2
成分を、他の一つの塔で残りの1成分を分離するのが理
想的である。 【0005】また、従来方式では、2段精留塔の低圧段
中間部から抜き出した流体(アルゴンに富んだ酸素成
分)を粗アルゴン塔に導入し、粗アルゴン塔からアルゴ
ンを分離した残りの流体を2段精留塔の低圧段中間部に
戻しているため、粗アルゴン塔と2段精留塔の低圧段と
が互いに干渉している。そのため、どちらかの塔で不具
合が発生すれば、窒素、酸素、アルゴンの全ての製品が
得られなくなってしまうという問題がある。 【0006】さらに、従来方式では、アルゴンに富んだ
酸素成分を2段精留塔の低圧段中間部から抜き出すた
め、アルゴンに富んだ酸素成分の濃度を設計通りに一定
にすることは難しい技術であった。また、運転操作でア
ルゴンに富んだ酸素成分の濃度を調整することも困難で
あった。この理由は、アルゴンに富んだ酸素成分の酸素
濃度は、アルゴンに富んだ酸素成分を低圧段のどの高さ
から抜き出すかによって決まるからである。 【0007】すなわち、アルゴンに富んだ酸素成分の酸
素濃度は、アルゴンに富んだ酸素成分の低圧段の抜き出
し口に対して、抜き出し口から上の理論段数と、下の理
論段数とのバランスで決定される。運転によるアルゴン
に富んだ酸素成分の酸素濃度の調整は、製品として取り
出す製品酸素ガスの量を調整し、これにより低圧段の上
昇ガス量を調整し、アルゴンに富んだ酸素成分の酸素濃
度を調整していた。これでは製品酸素ガスの量と純度の
制約により、調整できる範囲が狭く、調整が十分できな
い場合がある。 【0008】例えば、アルゴンに富んだ酸素成分の抜き
出し口が、設計で計画していたよりも、実機で理論段数
上で低圧段の下方になった場合、理論段数が上部、下部
で十分にあったとしても、アルゴンに富んだ酸素成分の
酸素濃度は高くなる。この場合、アルゴンに富んだ酸素
成分の酸素濃度を減らそうとして低圧段の酸素ガス上昇
量を減らそうとしても、一方では製品酸素量は増やさな
ければならず、両者を満足させようとすると、製品酸素
の濃度は低下する(窒素、アルゴンが増す)ことにな
り、大きな運転操作範囲はない。 【0009】本発明は、上記の問題点を解決するために
なされたもで、2段精留塔とアルゴン塔の2本の塔で、
窒素、酸素、アルゴンの3成分を分離し、かつ2段精留
塔とアルゴン塔が互いに干渉せず、アルゴンに富んだ酸
素成分の酸素濃度の調整が容易なアルゴン精製方法およ
び装置を提供することを目的とする。 【0010】 【課題を解決するための手段】その要旨は、空気を圧縮
し、予備浄化し、冷却し、下部の高圧段と上部の低圧段
を備えた2段精留塔に導入して酸素富化成分と窒素富化
成分に分離し、その際、前記2段精留塔の低圧段からア
ルゴンに富んだ酸素成分を抜き出し、これをアルゴン塔
に導いてアルゴンを分離するアルゴン精製方法におい
て、頂部に凝縮器を有するとともに、この凝縮器の下方
に低圧損の充填物を装入し、底部に蒸発器を有するアル
ゴン塔に、2段精留塔の低圧段の底部から抜き出したア
ルゴンに富んだ液状の酸素成分を導入し、このアルゴン
塔での精留によって純アルゴンと酸素とを分離するアル
ゴン精製方法である。 【0011】 【0012】本発明では2段精留塔で窒素を、アルゴン
塔で酸素とアルゴンを分離するため、2本の塔で窒素、
酸素、アルゴンを分離することができる。さらに、2段
精留塔とアルゴン塔との間で干渉することを避けている
ため、運転中にアルゴン塔に問題が生じても、2段精留
塔は運転を続け製品の窒素を分離することができる。 【0013】また、本発明では、アルゴンに富んだ液状
酸素成分は低圧段の底部から抜き出しており、理論段
数に対する実段数の余裕を十分にとれば、アルゴンに富
んだ液状の酸素成分の濃度は自然に上昇する。したがっ
て、従来方式では困難であった製品酸素量を増やすこと
も容易である。 【0014】 【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態例を
図に基づいて説明する。図1は本発明に係わるアルゴン
精製方法を簡略化した系統図である。導管1を経て空気
が圧縮機2によって吸引され、浄化段3にて水蒸気およ
び二酸化炭素が除去される。空気は引き続いて熱交換器
4で生成ガスとの向流により冷却され、一部分が導管5
を経て2段精留塔9の高圧段10に導入される。空気の他
の部分は熱交換器4内で中間温度( -90〜-110℃)で分
岐し、導管6を経てタービン7にて仕事をして膨張さ
れ、導管8を経て低圧段11に導入される。 【0015】高圧段10の頂部からのガスは、一部分は凝
縮器−蒸発器12内で低圧段11の蒸発する塔底流体によっ
て凝縮され、残りの部分は導管15を経て凝縮器−蒸発器
21内でアルゴン塔24の蒸発する塔底流体によって凝縮さ
れ、導管27を経て戻し流体として高圧段10に導入される
ようになっている。 【0016】高圧段10からは窒素が液状で導管14を経て
抜き出され、膨張弁30を経由して導管18を経て戻し流体
として低圧段11の頂部に導入される。また、高圧段10底
部からは、導管13を経て塔底流体が抜き出され、その一
部分は導管16を経て膨張弁29を経由して低圧段11の中間
領域に導入される。残りの部分は導管17を経て、膨張弁
31で大体低圧段の圧力まで膨張され、アルゴン塔24の頂
部凝縮器26に導入され、蒸発した部分は導管19を経て低
圧段11に導入される。高圧段10底部から導管13を経て抜
き出される塔底流体は容積%で35〜40%の酸素を含んで
いる。 【0017】低圧段11頂部からは、生成流としてガス状
の窒素が導管20を経て抜き出され、熱交換器4内で熱交
換して加熱され、窒素ガスとして分離される。また、低
圧段11底部からは、液状の酸素(アルゴンに富んだ酸素
成分)が導管22を経て抜き出され、アルゴン塔24に導入
される。この液状の酸素組成は、96〜98%の酸素、 2〜
4 %のアルゴンである(いずれも容積%)。アルゴン塔
24の頂部凝縮器26は、導管17を経て導入される高圧段10
底部から抜き出された塔底流体の蒸発によって冷却され
る。 【0018】アルゴン塔24は、約 220段の理論的な床部
の数に相当する数の圧力損失の小さい充填体が設けら
れ、約 1.3バールの低圧段11の圧力で運転される。アル
ゴン塔24内では、導管22を経て導入された液状の酸素中
に含まれているアルゴンが凝縮器−蒸発器21によって蒸
発し分離される。分離されたアルゴンは酸素、窒素とも
約1ppm以下しか含んでないガス状で、導管25を経て取り
出される。蒸発したアルゴンの一部は頂部凝縮器26内で
液化され、戻し流としてアルゴン塔24に戻される。ま
た、アルゴン塔24の底部からは、生成流としてガス状の
酸素が導管28を経て、液状の酸素が導管23を経て抜き出
され、それぞれ熱交換器4内で熱交換して、ガス状の酸
素、液状の酸素として取り出される。 【0019】 【発明の効果】以上述べたところから明らかなように、
本発明によれば、2段精留塔とアルゴン塔の2本の塔
で、窒素、酸素、アルゴンの3成分を分離するこがで
き、さらに、2段精留塔とアルゴン塔との間で干渉する
ことを避けているため、運転中にアルゴン塔に問題が生
じても、2段精留塔は運転を続け製品の窒素を分離する
ことができる。また、アルゴンに富んだ液状の酸素成分
は低圧段の底部から抜き出しているため、アルゴンに富
んだ液状の酸素成分の濃度を高めることができ、製品酸
素量を増やすことが容易である。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明に係わるアルゴン精製方法を簡略化した
系統図である。 【符号の説明】 1…導管、2…圧縮機、3…浄化段、4…熱交換器、5
…導管、6…導管、7…タービン、8…導管、9…2段
精留塔、10…高圧段、11…低圧段、12…凝縮器−蒸発
器、13…導管、14…導管、15…導管、16…導管、17…導
管、18…導管、19…導管、20…導管、21…蒸発器、22…
導管、23…導管、24…アルゴン塔、25…導管、26…凝縮
器、27…導管、28…導管、29…膨張弁、30…膨張弁、31
…膨張弁。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平8−49968(JP,A) 特開 昭51−130695(JP,A) 特開 平5−164462(JP,A) 特開 平7−133982(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F25J 1/00 - 5/00

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 空気を圧縮し、予備浄化し、冷却し、下
    部の高圧段と上部の低圧段を備えた2段精留塔に導入し
    て酸素富化成分と窒素富化成分に分離し、その際、前記
    2段精留塔の低圧段からアルゴンに富んだ酸素成分を抜
    き出し、これをアルゴン塔に導入してアルゴンを分離す
    るアルゴン精製方法において、 頂部に凝縮器を有するとともに、この凝縮器の下方に低
    圧損の充填物を装入し、底部に蒸発器を有するアルゴン
    塔に、2段精留塔の低圧段の底部から抜き出したアルゴ
    ンに富んだ液状の酸素成分を導入し、このアルゴン塔で
    の精留によって純アルゴンと酸素とを分離することを特
    徴とするアルゴン精製方法。
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