JP3428468B2 - 空気液化分離方法 - Google Patents

空気液化分離方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、原料空気の圧縮
に必要な消費電力を低減するための空気液化分離方法に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】製鉄所をはじめとする、大量の酸素ガス
と窒素ガスを使用する工場では、通常、工場内にこれら
ガスを製造するための空気液化分離装置を備えている。
図１は、製鉄所における一般的なガスの製造−消費のフ
ローを示したものである。図１に示すように、製鉄所で
は、空気液化分離装置により製造した酸素ガス、窒素ガ
スを圧縮機（酸素圧縮機５および窒素圧縮機６）を用い
て昇圧し、これらのガスを使用する各設備に送給してい
る。空気液化分離装置の主要部は、図２に示す構成とな
っている。原料空気は図示しない空気フィルターにより
１次除塵された後、図の左方から原料空気圧縮機１に送
られ、ここで、所定の圧力（5.4 kg／cm2 ）に昇圧され
る。原料空気圧縮機１には、通常、インレットガイドベ
ーンが設置されており、所定風量の負荷（最低で定格風
量の70％）までは風量を調整することが可能となってい
る。昇圧後の空気は、水洗冷却塔２で水冷、二次除塵さ
れた後、モレキュラーシーブ３においてＣＯ2 とＨ2 Ｏ
が除去され、コールドボックス４に送られる。次いで、
コールドボックス４の一部をなす、主熱交換器４ａに
て、空気は分離精整ずみの低温状態の酸素ガス及び窒素
ガスと熱交換され、空気の液化温度（−186 ℃）まで冷
却され、さらに精留塔４ｃに送給される。
【０００３】精留塔４ｃ内において、液化した空気は酸
素と窒素に分離し、沸点の高い酸素（−183 ℃）は精留
塔下部に滞留し、沸点の低い窒素（−196 ℃）は精留塔
頂部に向かって上昇する。このとき、液化空気の精留分
離は、孔の開いた精留板を多数具えた精留塔内におい
て、上昇する蒸気となった窒素分を多く含む空気と、塔
頂からの還流液とが接触し、平衡状態を保とうとし、よ
り低沸点の成分（窒素）が蒸気相側に蒸発移動し、より
高沸点の成分（酸素）が液相側に移動することによって
行われる。このように、精留塔内での分離は、精留板上
の液と蒸気との間における平衡バランスを利用して行っ
ている。そのために、空気の液化分離を安定して実施す
るには、導入する空気量、還流液量、発生する酸素量と
窒素量のバランスを正確に監視、制御することが必要と
なっている。
【０００４】さて、上述した方法で製造したこれら精整
ガスを、需要側となるガス使用側設備の立場からマスバ
ランス的にみてみる。上記ガス分離装置は連続的に操業
し、精整ガスも連続的に発生するのが一般的である、こ
れに対し、製鋼工場に代表されるような、ガス使用側設
備の多くは、非連続的な操業を行っている。このような
状況を考えた場合、本来、使用側設備が操業しないとき
には、空気液化分離装置も使用側設備に追随して操業し
ないことが望ましい。具体的には、例えば、一般の製鉄
所で行われているように、使用側設備が長時間停止して
いるときには、空気分離装置もこれに対応して停止させ
ており、かかる操業を行うかぎり、空気分離装置を稼働
させるための消費電力を削減することも可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし一方、使用側設
備が短い時間（30〜180 分）だけしか操業しない一時的
な停止、あるいは一時的な操業度の低下の際に、空気液
化分離をも停止すると、空気液化分離操業そのものに支
障を生じてしまう。なぜなら、空気液化分離操業を短時
間停止した場合には、停止後安定操業に移行するまでの
不安定な時間が相対的に大となって、効率的な液化分離
が行えなくなるからである。このように、使用側設備の
使用量に合わせて、空気液化分離を一時的に停止する、
省電力型の操業は、現実的ではなく採用されていなかっ
た。そこで、従来、このような非定常状態のときには、
必然的に精整分離した余剰ガスが発生し、これを放散す
るしか手だてがなかった。この場合には、図１における
酸素圧力計12、窒素圧力計13により測定した圧力が所定
の圧力になるように、酸素放散弁７、窒素放散弁８を緩
めて、酸素、窒素を大気中に放散することになる。
【０００６】このように、従来、空気液化分離の安定操
業のためには、余剰分の酸素、窒素を放散させるしかな
かったのは、上述した精留分離の機構から止むをえない
ことであった。すなわち、放散ガスを抑制するために、
原料空気圧縮機に送給される原料空気の量を減じると、
精留板上での液と蒸気の平衡バランスがくずれ、これを
もとの安定状態に戻すまでには、最低でも３時間程度は
かかるからである。結局、空気液化分離装置を短時間停
止したり、負荷変更を行うことは得策ではなく、実質的
には実施することはできなかったのである。
【０００７】以上述べたように、従来は、空気液化分離
装置の安定操業を維持するためには、原料空気の供給量
を一定、すなわち原料空気圧縮機の負荷を一定にして操
業するしかなかった。そのため、必然的に余剰の酸素、
窒素が発生することとなり、これら余剰の酸素や窒素は
大気中に放散されていた。したがって、従来は、余剰の
酸素、窒素を製造するためにも、原料空気を圧縮してい
ることとなり、そのため必要な電力消費は余分なものと
いえる。よって、余剰の酸素、窒素を製造するための余
分な消費電力を低減することが求められていた。なお、
使用設備の需要変動に対応した空気液化分離方法に、特
開平３−67983号公報に開示の提案があるが、この技術
は酸素の需要変動には対応できるが、酸素および窒素の
需要変動には対応できないという難点があった。そこで
本発明の目的は、従来技術における上記問題に鑑み、消
費電力の少ない空気液化分離方法を提案することにあ
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、空気を圧縮−
膨張させて液化し、液化した空気を沸点差により酸素と
窒素とに分離する空気液化分離方法において、分離後の
酸素と窒素の余剰分のうちの少なくとも一部を、原料空
気圧縮機の下流側に還流させ、還流量に見合う量の原料
空気を減じることによって、原料空気圧縮機の負荷を軽
減することを特徴とする空気液化分離方法である。ま
た、上記発明において、主熱交換器の入り側の位置、具
体的にはモレキュラーシーブと主熱交換器との間の位置
に余剰分を還流させ、モレキュラーシーブを通過してき
た圧縮空気と合流させることが好適である。
【０００９】
【発明の実施の形態】従来の空気液化分離方法では、圧
縮機の短時間での負荷変更は精留塔内の精留バランスを
乱すことになるので、現実には実施することができなか
った。本発明は、精留塔内の精留バランスを乱すことの
ない安定した空気液化分離を、省電力を図りつつ可能に
するものである。そして、この方法は、需要量の短期的
な変動、すなわち使用側設備で短時間の操業停止などに
伴ってもたらされる、酸素、窒素の需要減少に際して、
従来は放散していた、余剰の酸素、窒素を有効に利用す
ることによって達成される。
【００１０】図３に、本発明に好適な酸素、窒素の製造
から消費までのフローを示す。なお、以下述べる本発明
法の説明のうち、従来法と共通する部分の説明について
は省略することとする。本発明では、まず、酸素放散弁
７、窒素放散弁８から排出される余剰の酸素、窒素の少
なくとも一部を、取り込み、それぞれ酸素圧力調節弁14
および窒素圧力調節弁15により、原料空気と同じ圧力
（例えば、5.4 kg／cm2 ）に調整する。その後、この両
者をそれぞれ酸素流量調節弁16および窒素流量調節弁17
により、Ｎ 2 ：Ｏ2 の割合が0.79：0.21になるように調
整し、混合器18で混合する。混合後、これを原料空気圧
縮機１の下流に位置する、コールドボックス４の主熱交
換器4aの入口に還流させて再導入する。
【００１１】このとき、上記操作により導入した混合ガ
ス量を、放散回収流量計19により測定し、この混合ガス
量に見合う量だけ、原料空気圧縮機１に導入される原料
空気量を減らすように、インレットガイドベーン20によ
って調整する。以上のように、原料空気の低減量が、再
導入される酸素と窒素を混合した空気量と同量になるよ
うに調整することによって、精留塔内に導入する空気量
を常に一定量になるように、流量制御する。この方法を
採用すれば、圧縮機の負荷は原料空気量の低減量分だけ
減らすことが可能になり、圧縮に要する消費電力も削減
される。
【００１２】以上説明したように、短時間の使用側設備
の停止のときに、従来は、空気液化分離装置の一時的停
止や、負荷の低下は、精留塔における精留バランス維持
するために、実施することができなかった。そして、結
果的に、分離後の余剰分の酸素、窒素は全量を放散し、
空気液化分離の消費電力も大きかった。これに対し、本
発明では、余剰分の酸素、窒素を有効に利用して、原料
空気圧縮機の下流、具体的には主熱交換器の入口に循環
導入するようにしたので、回収した混合空気量に見合う
分だけ、原料空気圧縮機の空気量を減らすことができ、
消費電力を削減することができる。なお、本発明は、発
生した酸素および窒素の昇圧機がバイパス制御型の圧縮
機（インレットガイドベーンの設置されていないタイ
プ）のときに特に有効である。
【００１３】
【実施例】定常時の空気処理能力145,000 Nm3/Hrの空気
液化分離装置を用い、図３に示すようなフローで、使用
側設備の停止により発生した余剰の酸素と窒素を、5.4
kg／cm2 に圧力調整するとともに、Ｎ2 ：Ｏ2 の割合が
0.79：0.21になるように流量調整し、これを混合器を経
て主熱交換器入口に再導入した。なお、設備休止時間は
約１５分であった。図４は、本発明法に従い運転して得
られた、酸素及び窒素の放散量と、原料空気圧縮機の消
費電力を、従来法の場合と比較して示したものである。
この図から明らかのように、従来は、短時間の使用側設
備停止のときには、酸素放散量が１０ｋＮｍ3 ／Ｈｒ以
上、窒素放散量が１３ｋＮｍ3 ／Ｈｒ以上もあったが、
本発明法では酸素は従来法の１／２近くまで、窒素は０
まで減少した。表１は、このような経過のグラフをもと
にして、使用側設備停止時における酸素および窒素の放
散量、空気分離装置の消費電力について、使用側設備停
止期間中のデータの平均をまとめたものである。表１か
ら、消費電力も従来法では常時１１ＭＷであったのに対
し、本発明法では使用設備停止時には９ＭＷまで低下さ
せることが可能になった。
【００１４】
【表１】
【００１５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
短時間の使用側設備停止のときに、従来は精留バランス
上の理由から不可能であった空気液化分離装置の負荷
（原料空気圧縮機の消費電力）を低下させることが可能
になる。また、従来多量に発生していた酸素おおよび窒
素の放散量を低減できるるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来法における、酸素、窒素の製造−消費のフ
ローを示す摸式図である。
【図２】空気液化分離装置を示す図である。
【図３】発明法における、酸素、窒素の製造−消費のフ
ローを示す摸式図である。
【図４】使用側設備の停止を伴う場合の、酸素、窒素の
放散量および消費電力の変化を例示するグラフである。
【符号の説明】
１ 原料空気圧縮機 ２ 水洗冷却塔 ３ モレキュラーシーブ ４ コールドボックス 4a 主熱交換器 4b 膨張タービン 4c 精留塔 ５ 酸素圧縮機 ６ 窒素圧縮機 ７ 酸素放散弁 ８ 窒素放散弁 ９ 酸素ガスホルダー 10 窒素ガスホルダー 11 酸素・窒素使用側設備 12 酸素圧力計 13 窒素圧力計 14 酸素圧力調節弁 15 窒素圧力調節弁 16 酸素流量調節弁 17 窒素流量調節弁 18 混合器 19 放散回収流量計 20 インレットガイドベーン

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 空気を圧縮、膨張させて液化し、液化し
    た空気を沸点差により酸素と窒素とに分離する空気液化
    分離方法において、分離後の酸素と窒素の余剰分のうち
    の少なくとも一部を、原料空気圧縮機の下流側に還流さ
    せ、還流量に見合う量の原料空気を減じることによっ
    て、原料空気圧縮機の負荷を軽減することを特徴とする
    空気液化分離方法。
  2. 【請求項２】 主熱交換器の入り側に余剰分を還流させ
    る、請求項１に記載の空気液化分離方法。
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