JP3526796B2 - 空気分離装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、空気分離装置に関
するものである。
するものである。
【０００２】
【従来の技術】窒素，酸素等を製造する空気分離装置の
原料空気中には微量の炭化水素類（アセチレン，メタ
ン，エタン等）が含まれており、これら炭化水素類は高
沸点成分であるために、通常、空気分離装置内の最も温
度の高い液相に濃縮している。また、通常、上記炭化水
素類が濃縮している液相には、空気よりも高い濃度の酸
素が含まれており、この酸素と反応して爆発するという
危険性がある。このため、高圧ガス保安法では、つぎの
ように定められている。すなわち、空気液化分離装置の
液化酸素だめ内の液化酸素１リットル中におけるアセチ
レンの質量又はその他の炭化水素中の炭素の質量がそれ
ぞれ１ミリグラム又は１００ミリグラムを越えたとき
は、当該空気液化分離装置の運転を中止する等の措置を
講じ、かつ、液化酸素を放出すること、と定められてい
る。
原料空気中には微量の炭化水素類（アセチレン，メタ
ン，エタン等）が含まれており、これら炭化水素類は高
沸点成分であるために、通常、空気分離装置内の最も温
度の高い液相に濃縮している。また、通常、上記炭化水
素類が濃縮している液相には、空気よりも高い濃度の酸
素が含まれており、この酸素と反応して爆発するという
危険性がある。このため、高圧ガス保安法では、つぎの
ように定められている。すなわち、空気液化分離装置の
液化酸素だめ内の液化酸素１リットル中におけるアセチ
レンの質量又はその他の炭化水素中の炭素の質量がそれ
ぞれ１ミリグラム又は１００ミリグラムを越えたとき
は、当該空気液化分離装置の運転を中止する等の措置を
講じ、かつ、液化酸素を放出すること、と定められてい
る。
【０００３】従来は、炭化水素類が濃縮している液相の
一部を抜き出すことにより、炭化水素類の濃縮量を規定
値以下に維持することが行われている。この抜き出しは
連続的に行われている場合もあれば、バッチで行われて
いる場合もある。また、廃液（抜き出された液）は大気
を用いて蒸発させる場合もあるが、この場合には廃液の
冷熱を無駄にしてしまうため、通常は、上記冷熱の回収
が行われている。一般的には、上記冷熱の回収には廃液
蒸発器が用いられている。
一部を抜き出すことにより、炭化水素類の濃縮量を規定
値以下に維持することが行われている。この抜き出しは
連続的に行われている場合もあれば、バッチで行われて
いる場合もある。また、廃液（抜き出された液）は大気
を用いて蒸発させる場合もあるが、この場合には廃液の
冷熱を無駄にしてしまうため、通常は、上記冷熱の回収
が行われている。一般的には、上記冷熱の回収には廃液
蒸発器が用いられている。
【０００４】以下、廃液蒸発器を用いて廃液の冷熱を回
収する方法を、寒冷として液体窒素を注入し窒素ガスを
製造する窒素発生装置を例にとって詳しく説明する（図
１１参照）。すなわち、まず、原料空気は空気圧縮機
（図示せず）により所定の圧力まで圧縮され、ついで、
吸着塔の吸着剤等（図示せず）により水分，二酸化炭素
が除去される。つぎに、原料空気は分岐され、その一部
は主熱交換器１１に導入され、製品窒素ガスおよび排窒
素ガスと熱交換することにより液化温度付近まで冷却さ
れる。また、原料空気の残部は大気温度の状態で廃液蒸
発器１４の下方に送られ、凝縮器１３から抜き出された
廃液と向流で熱交換することにより冷却される。つぎ
に、廃液蒸発器１４の上方から出てくる原料空気は、主
熱交換器１１から出てくる原料空気と合流し、精留塔１
２の下部へ送られる。この精留塔１２の頂部からは窒素
ガスが取り出されたのち分岐され、その一部は凝縮器１
３で凝縮され、還流液として精留塔１２の頂部に戻され
る。また、窒素ガスの残部は主熱交換器１１へ送られ、
ここで原料空気と熱交換することにより常温まで加温さ
れ、製品窒素ガスとして取り出される。また、精留塔１
２の底部からは、原料空気中の炭化水素類を多く含んだ
空気より酸素濃度の高い液体空気１７（酸素リッチな液
体空気）が抜き出され、膨脹弁１５で減圧されたのち凝
縮器１３に導入され、冷媒として利用される。この凝縮
器１３で窒素ガスと熱交換し、ガス化した液体空気は凝
縮器１３の頂部から排窒素ガスとして抜き出され、主熱
交換器１１で原料空気と熱交換することにより常温まで
加温される。この排窒素ガスは吸着塔の再生ガス等とし
て利用される。一方、主熱交換器１１および廃液蒸発器
１４における熱交換ロスと外部侵入熱を補うため、寒冷
用の液体窒素が液体窒素供給量調節弁１６を通して精留
塔１２の頂部へ注入される。
収する方法を、寒冷として液体窒素を注入し窒素ガスを
製造する窒素発生装置を例にとって詳しく説明する（図
１１参照）。すなわち、まず、原料空気は空気圧縮機
（図示せず）により所定の圧力まで圧縮され、ついで、
吸着塔の吸着剤等（図示せず）により水分，二酸化炭素
が除去される。つぎに、原料空気は分岐され、その一部
は主熱交換器１１に導入され、製品窒素ガスおよび排窒
素ガスと熱交換することにより液化温度付近まで冷却さ
れる。また、原料空気の残部は大気温度の状態で廃液蒸
発器１４の下方に送られ、凝縮器１３から抜き出された
廃液と向流で熱交換することにより冷却される。つぎ
に、廃液蒸発器１４の上方から出てくる原料空気は、主
熱交換器１１から出てくる原料空気と合流し、精留塔１
２の下部へ送られる。この精留塔１２の頂部からは窒素
ガスが取り出されたのち分岐され、その一部は凝縮器１
３で凝縮され、還流液として精留塔１２の頂部に戻され
る。また、窒素ガスの残部は主熱交換器１１へ送られ、
ここで原料空気と熱交換することにより常温まで加温さ
れ、製品窒素ガスとして取り出される。また、精留塔１
２の底部からは、原料空気中の炭化水素類を多く含んだ
空気より酸素濃度の高い液体空気１７（酸素リッチな液
体空気）が抜き出され、膨脹弁１５で減圧されたのち凝
縮器１３に導入され、冷媒として利用される。この凝縮
器１３で窒素ガスと熱交換し、ガス化した液体空気は凝
縮器１３の頂部から排窒素ガスとして抜き出され、主熱
交換器１１で原料空気と熱交換することにより常温まで
加温される。この排窒素ガスは吸着塔の再生ガス等とし
て利用される。一方、主熱交換器１１および廃液蒸発器
１４における熱交換ロスと外部侵入熱を補うため、寒冷
用の液体窒素が液体窒素供給量調節弁１６を通して精留
塔１２の頂部へ注入される。
【０００５】図１１に示す例では、原料空気中の微量な
炭化水素類は凝縮器１３内の液体空気１８に濃縮してい
る。その濃縮量を規定値以下に維持するため、凝縮器１
３の底部から廃液を一定量抜き出す必要がある。そし
て、抜き出された廃液は廃液蒸発器１４の上方に送られ
たのち、原料空気の一部と向流で熱交換することにより
蒸発し、常温付近まで加温され、大気へ放出される。
炭化水素類は凝縮器１３内の液体空気１８に濃縮してい
る。その濃縮量を規定値以下に維持するため、凝縮器１
３の底部から廃液を一定量抜き出す必要がある。そし
て、抜き出された廃液は廃液蒸発器１４の上方に送られ
たのち、原料空気の一部と向流で熱交換することにより
蒸発し、常温付近まで加温され、大気へ放出される。
【０００６】廃液蒸発器１４を用いて廃液を蒸発させる
場合の理想的な熱交換方法は、廃液が液体であるため、
それと熱交換する原料空気も液化させることである。こ
の理想的な熱交換が行われた場合の廃液蒸発器１４内部
の温度変化の理想概略図を図１２に示す。この図１２か
ら明らかなように、Ｈｏｔ側流体の原料空気とＣｏｌｄ
側流体の廃液との温度差は小さく、冷熱回収（エクセル
ギー）の観点から好ましい状態である。
場合の理想的な熱交換方法は、廃液が液体であるため、
それと熱交換する原料空気も液化させることである。こ
の理想的な熱交換が行われた場合の廃液蒸発器１４内部
の温度変化の理想概略図を図１２に示す。この図１２か
ら明らかなように、Ｈｏｔ側流体の原料空気とＣｏｌｄ
側流体の廃液との温度差は小さく、冷熱回収（エクセル
ギー）の観点から好ましい状態である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１１
に示す例の熱交換方法では、上記のような理想的な状態
で熱交換することは困難であった。すなわち、図１１に
示す例の熱交換方法では、廃液を下から上へ流すと、高
沸点成分である炭化水素類が廃液蒸発器１４内部に形成
される液相に濃縮する。したがって、この濃縮を防ぐた
めに廃液は上から下へ流す必要がある。また、廃液蒸発
器１４の廃液側出口温度を常温にするためには、原料空
気と廃液とは向流で熱交換させざるをえず、原料空気は
廃液蒸発器１４の下から上へ流す必要がある。さらに、
廃液蒸発器１４内で原料空気が液化すると、液化された
原料空気がガス状原料空気の上昇流とは逆に下方に流れ
るため、廃液蒸発器１４内で温度バランス（下方の温度
が高く、上方にいくほど温度が低くなる）がくずれると
いう不具合が生じる。したがって、原料空気は充分に流
さなければならない。
に示す例の熱交換方法では、上記のような理想的な状態
で熱交換することは困難であった。すなわち、図１１に
示す例の熱交換方法では、廃液を下から上へ流すと、高
沸点成分である炭化水素類が廃液蒸発器１４内部に形成
される液相に濃縮する。したがって、この濃縮を防ぐた
めに廃液は上から下へ流す必要がある。また、廃液蒸発
器１４の廃液側出口温度を常温にするためには、原料空
気と廃液とは向流で熱交換させざるをえず、原料空気は
廃液蒸発器１４の下から上へ流す必要がある。さらに、
廃液蒸発器１４内で原料空気が液化すると、液化された
原料空気がガス状原料空気の上昇流とは逆に下方に流れ
るため、廃液蒸発器１４内で温度バランス（下方の温度
が高く、上方にいくほど温度が低くなる）がくずれると
いう不具合が生じる。したがって、原料空気は充分に流
さなければならない。
【０００８】このような熱交換方法による廃液蒸発器１
４内部の温度変化の典型概略図を図１３に示す。この熱
交換方法によると、図１３に示すように、廃液蒸発器１
４内部におけるＨｏｔ側流体とＣｏｌｄ側流体との温度
差が大きくなり（１００℃を越える場合もある）、冷熱
回収の観点から不経済であるという問題がある。
４内部の温度変化の典型概略図を図１３に示す。この熱
交換方法によると、図１３に示すように、廃液蒸発器１
４内部におけるＨｏｔ側流体とＣｏｌｄ側流体との温度
差が大きくなり（１００℃を越える場合もある）、冷熱
回収の観点から不経済であるという問題がある。
【０００９】本発明は、このような事情に鑑みなされた
もので、安全に廃液を蒸発させることができ、しかも、
冷熱回収の観点から優れた空気分離装置の提供をその目
的とする。
もので、安全に廃液を蒸発させることができ、しかも、
冷熱回収の観点から優れた空気分離装置の提供をその目
的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の空気分離装置は、外部から取り入れた空気
を圧縮する空気圧縮手段と、この空気圧縮手段により圧
縮された原料空気を冷却する熱交換手段と、装置の凝縮
器内に凝縮生成された炭化水素類含有廃液を蒸発させる
廃液蒸発手段とを備え、上記熱交換手段で冷却された原
料空気の全部もしくは一部を廃液蒸発手段に導入し、こ
の廃液蒸発手段で上記原料空気の全部もしくは一部と炭
化水素類含有廃液とを熱交換させることにより炭化水素
類含有廃液を蒸発させ、この蒸発により生じるガスを上
記熱交換手段に導入して原料空気と熱交換することによ
り常温付近まで加温するようにしたという構成をとる。
め、本発明の空気分離装置は、外部から取り入れた空気
を圧縮する空気圧縮手段と、この空気圧縮手段により圧
縮された原料空気を冷却する熱交換手段と、装置の凝縮
器内に凝縮生成された炭化水素類含有廃液を蒸発させる
廃液蒸発手段とを備え、上記熱交換手段で冷却された原
料空気の全部もしくは一部を廃液蒸発手段に導入し、こ
の廃液蒸発手段で上記原料空気の全部もしくは一部と炭
化水素類含有廃液とを熱交換させることにより炭化水素
類含有廃液を蒸発させ、この蒸発により生じるガスを上
記熱交換手段に導入して原料空気と熱交換することによ
り常温付近まで加温するようにしたという構成をとる。
【００１１】すなわち、本発明の空気分離装置は、熱交
換手段で液化温度付近まで冷却された原料空気の全部も
しくは一部と炭化水素類含有廃液（以下、廃液と略す）
とを熱交換させることにより廃液を蒸発させ、この蒸発
により生じるガスを上記熱交換手段に導入して常温付近
まで加温しているため、従来例のように、廃液蒸発器で
原料空気と廃液とを向流で熱交換する必要がない。これ
により、廃液蒸発手段において廃液との熱交換により原
料空気が液化しても不具合が生じず、廃液蒸発手段にお
ける温度差（原料空気と廃液との温度差）が従来例と比
較して小さくなる。したがって、廃液の冷熱を有効に回
収することができ、空気分離装置で製造される製品の製
造に必要となるエネルギー（寒冷や電力等）を低減する
ことが可能になる。なお、本発明における炭化水素類と
しては、メタン，エタン，アセチレン等が挙げられる。
換手段で液化温度付近まで冷却された原料空気の全部も
しくは一部と炭化水素類含有廃液（以下、廃液と略す）
とを熱交換させることにより廃液を蒸発させ、この蒸発
により生じるガスを上記熱交換手段に導入して常温付近
まで加温しているため、従来例のように、廃液蒸発器で
原料空気と廃液とを向流で熱交換する必要がない。これ
により、廃液蒸発手段において廃液との熱交換により原
料空気が液化しても不具合が生じず、廃液蒸発手段にお
ける温度差（原料空気と廃液との温度差）が従来例と比
較して小さくなる。したがって、廃液の冷熱を有効に回
収することができ、空気分離装置で製造される製品の製
造に必要となるエネルギー（寒冷や電力等）を低減する
ことが可能になる。なお、本発明における炭化水素類と
しては、メタン，エタン，アセチレン等が挙げられる。
【００１２】本発明において、廃液の蒸発に先立って、
廃液を廃液膨脹弁で膨脹させるようにした場合には、液
ヘッドにより圧力上昇した廃液を廃液膨脹弁で膨脹させ
て減圧することができる。これにより、廃液の蒸発温度
が低下し、液化温度付近まで冷却された原料空気によっ
ても廃液を完全に蒸発させることが可能となる。
廃液を廃液膨脹弁で膨脹させるようにした場合には、液
ヘッドにより圧力上昇した廃液を廃液膨脹弁で膨脹させ
て減圧することができる。これにより、廃液の蒸発温度
が低下し、液化温度付近まで冷却された原料空気によっ
ても廃液を完全に蒸発させることが可能となる。
【００１３】本発明を詳しく説明する。
【００１４】本発明の空気分離装置は、空気圧縮手段と
熱交換手段と廃液蒸発手段とを備えている。なお、熱交
換手段としては、主として、製品ガス等の低温流体と原
料空気を熱交換させるための主熱交換器が利用される。
熱交換手段と廃液蒸発手段とを備えている。なお、熱交
換手段としては、主として、製品ガス等の低温流体と原
料空気を熱交換させるための主熱交換器が利用される。
【００１５】図１は本発明の空気分離装置の一例を示し
ている。この例では、まず、空気圧縮機等の空気圧縮手
段（図示せず）により所定の圧力まで圧縮されたのち水
分，二酸化炭素等が除去された原料空気が、主熱交換器
１の上端から導入され、製品ガス等の低温流体（廃液が
蒸発したのちのガスを含む）と熱交換することにより液
化温度付近まで冷却される。ここでは、通常と同じく、
原料空気は上から下へと流れる。つぎに、液化温度付近
まで冷却された原料空気はその全量が廃液蒸発器２へ導
入され、廃液と熱交換されることによりさらに冷却され
る。
ている。この例では、まず、空気圧縮機等の空気圧縮手
段（図示せず）により所定の圧力まで圧縮されたのち水
分，二酸化炭素等が除去された原料空気が、主熱交換器
１の上端から導入され、製品ガス等の低温流体（廃液が
蒸発したのちのガスを含む）と熱交換することにより液
化温度付近まで冷却される。ここでは、通常と同じく、
原料空気は上から下へと流れる。つぎに、液化温度付近
まで冷却された原料空気はその全量が廃液蒸発器２へ導
入され、廃液と熱交換されることによりさらに冷却され
る。
【００１６】一方、廃液は廃液蒸発器２の上方に導入さ
れ、液化温度付近の原料空気と熱交換されることにより
完全に蒸発する。廃液蒸発器２内の廃液と原料空気は向
流，並流等の流れ方向にとらわれる必要はなく、唯一廃
液中の炭化水素類の濃縮を防止するために、廃液は上か
ら下への流れとすべきである。この廃液が蒸発したのち
のガスは主熱交換器１の下端に導入され、原料空気と熱
交換し、常温付近まで加温される。これ以外の部分は図
１１に示す例と同様である。
れ、液化温度付近の原料空気と熱交換されることにより
完全に蒸発する。廃液蒸発器２内の廃液と原料空気は向
流，並流等の流れ方向にとらわれる必要はなく、唯一廃
液中の炭化水素類の濃縮を防止するために、廃液は上か
ら下への流れとすべきである。この廃液が蒸発したのち
のガスは主熱交換器１の下端に導入され、原料空気と熱
交換し、常温付近まで加温される。これ以外の部分は図
１１に示す例と同様である。
【００１７】図２は本発明の空気分離装置の他の例を示
している。この例では、まず、空気圧縮機等の空気圧縮
手段（図示せず）により所定の圧力まで圧縮されたのち
水分，二酸化炭素等が除去された原料空気が、主熱交換
器１の上端から導入され、製品ガス等の低温流体（廃液
が蒸発したのちのガスを含む）と向流で熱交換すること
により液化温度付近まで冷却される。ここでは、通常と
同じく、原料空気は上から下へと流れる。つぎに、液化
温度付近まで冷却された原料空気は分岐され、その一部
が原料空気供給量調節弁３を通して廃液蒸発器２へ導入
され、廃液と熱交換されることによりさらに冷却され
る。
している。この例では、まず、空気圧縮機等の空気圧縮
手段（図示せず）により所定の圧力まで圧縮されたのち
水分，二酸化炭素等が除去された原料空気が、主熱交換
器１の上端から導入され、製品ガス等の低温流体（廃液
が蒸発したのちのガスを含む）と向流で熱交換すること
により液化温度付近まで冷却される。ここでは、通常と
同じく、原料空気は上から下へと流れる。つぎに、液化
温度付近まで冷却された原料空気は分岐され、その一部
が原料空気供給量調節弁３を通して廃液蒸発器２へ導入
され、廃液と熱交換されることによりさらに冷却され
る。
【００１８】一方、廃液は廃液蒸発器２の上方に導入さ
れ、原料空気と熱交換されることにより完全に蒸発す
る。この廃液が蒸発したのちのガスは主熱交換器１の下
端に導入され、原料空気と熱交換し、常温付近まで加温
される。これ以外の部分は図１に示す空気分離装置と同
様である。
れ、原料空気と熱交換されることにより完全に蒸発す
る。この廃液が蒸発したのちのガスは主熱交換器１の下
端に導入され、原料空気と熱交換し、常温付近まで加温
される。これ以外の部分は図１に示す空気分離装置と同
様である。
【００１９】しかしながら、上記の両空気分離装置で
は、つぎのような問題が生じる場合がある。すなわち、
廃液は廃液蒸発器２よりも上方に位置する液だめ（例え
ば、図１１に示す凝縮器１３）の底部から抜き出された
のち廃液蒸発器２の上部に導入される。このとき、液ヘ
ッドにより廃液の圧力が上昇し、廃液の蒸発温度が上昇
する。例えば、廃液の組成がＮ2 ＋Ａｒ２９重量％：Ｏ
2 ７１重量％のとき、圧力０．０７ＭＰａの廃液の蒸発
温度は−１８０℃であるが、液ヘッド０．１ＭＰａによ
り廃液の圧力が０．１７ＭＰａまで上昇すると、その温
度は−１７５℃まで上昇する。一方、廃液と熱交換する
原料空気の圧力０．３４ＭＰａでの液化温度は−１７６
℃であり、廃液の蒸発温度より低くなって、廃液蒸発器
２で廃液を完全に蒸発することができなくなる。このた
め、廃液蒸発器２の下部から主熱交換器１に至る廃液の
配管（図１および図２では、配管４として示す）内に液
が滞留し、炭化水素類が濃縮するという問題が生じる。
は、つぎのような問題が生じる場合がある。すなわち、
廃液は廃液蒸発器２よりも上方に位置する液だめ（例え
ば、図１１に示す凝縮器１３）の底部から抜き出された
のち廃液蒸発器２の上部に導入される。このとき、液ヘ
ッドにより廃液の圧力が上昇し、廃液の蒸発温度が上昇
する。例えば、廃液の組成がＮ2 ＋Ａｒ２９重量％：Ｏ
2 ７１重量％のとき、圧力０．０７ＭＰａの廃液の蒸発
温度は−１８０℃であるが、液ヘッド０．１ＭＰａによ
り廃液の圧力が０．１７ＭＰａまで上昇すると、その温
度は−１７５℃まで上昇する。一方、廃液と熱交換する
原料空気の圧力０．３４ＭＰａでの液化温度は−１７６
℃であり、廃液の蒸発温度より低くなって、廃液蒸発器
２で廃液を完全に蒸発することができなくなる。このた
め、廃液蒸発器２の下部から主熱交換器１に至る廃液の
配管（図１および図２では、配管４として示す）内に液
が滞留し、炭化水素類が濃縮するという問題が生じる。
【００２０】図３はこのことを概略的に示す図である。
すなわち、図３に示すように、廃液の圧力が上昇する
と、廃液の蒸発温度も上昇し、図３中の交点Ｐの圧力
０．１５ＭＰａ以上になると、廃液の蒸発温度が原料空
気の液化温度よりも高くなる。したがって、液ヘッドに
より廃液の圧力が交点Ｐよりも高くなる場合に廃液を完
全に蒸発させるためには、原料空気と熱交換する前に廃
液の圧力を交点Ｐの圧力より低い圧力に減圧させておく
必要がある。
すなわち、図３に示すように、廃液の圧力が上昇する
と、廃液の蒸発温度も上昇し、図３中の交点Ｐの圧力
０．１５ＭＰａ以上になると、廃液の蒸発温度が原料空
気の液化温度よりも高くなる。したがって、液ヘッドに
より廃液の圧力が交点Ｐよりも高くなる場合に廃液を完
全に蒸発させるためには、原料空気と熱交換する前に廃
液の圧力を交点Ｐの圧力より低い圧力に減圧させておく
必要がある。
【００２１】そこで、上記問題が生じる場合には、図４
および図５に示す空気分離装置のように、主熱交換器１
および廃液蒸発器２に加えて、廃液の圧力を減圧させる
ための廃液膨脹弁５を備え、廃液を廃液蒸発器２に導入
する前に、廃液膨脹弁５で廃液を所定圧力に減圧するこ
とにより、廃液の蒸発温度を低下させ、原料空気の液化
温度でも廃液を完全に蒸発できるようにしている。
および図５に示す空気分離装置のように、主熱交換器１
および廃液蒸発器２に加えて、廃液の圧力を減圧させる
ための廃液膨脹弁５を備え、廃液を廃液蒸発器２に導入
する前に、廃液膨脹弁５で廃液を所定圧力に減圧するこ
とにより、廃液の蒸発温度を低下させ、原料空気の液化
温度でも廃液を完全に蒸発できるようにしている。
【００２２】すなわち、図４に示す空気分離装置では、
原料空気は、図１に示す空気分離装置と同様に、主熱交
換器１および廃液蒸発器２で冷却される。一方、廃液は
廃液膨脹弁５で減圧されたのち、図１に示す空気分離装
置と同様に、廃液蒸発器２で完全に蒸発し、さらに主熱
交換器１で熱交換し、常温付近まで加温される。
原料空気は、図１に示す空気分離装置と同様に、主熱交
換器１および廃液蒸発器２で冷却される。一方、廃液は
廃液膨脹弁５で減圧されたのち、図１に示す空気分離装
置と同様に、廃液蒸発器２で完全に蒸発し、さらに主熱
交換器１で熱交換し、常温付近まで加温される。
【００２３】また、図５に示す空気分離装置では、原料
空気が、図２に示す空気分離装置と同様に、主熱交換器
１で冷却されたのち分岐され、分岐された一部が原料空
気供給量調節弁３を通して廃液蒸発器２で冷却される。
一方、廃液は廃液膨脹弁５で減圧されたのち、図２に示
す空気分離装置と同様に、廃液蒸発器２で完全に蒸発
し、さらに主熱交換器１で熱交換し、常温付近まで加温
される。
空気が、図２に示す空気分離装置と同様に、主熱交換器
１で冷却されたのち分岐され、分岐された一部が原料空
気供給量調節弁３を通して廃液蒸発器２で冷却される。
一方、廃液は廃液膨脹弁５で減圧されたのち、図２に示
す空気分離装置と同様に、廃液蒸発器２で完全に蒸発
し、さらに主熱交換器１で熱交換し、常温付近まで加温
される。
【００２４】図６に示す空気分離装置は、図１に示す空
気分離装置の主熱交換器１，廃液蒸発器２に代えて、１
つの熱交換器（例えば、アルミプレートフィン熱交換
器）６を用い、この熱交換器６を熱交換手段と廃液蒸発
手段の双方に利用したものである。すなわち、上記熱交
換器６の所定領域（熱交換器６の下側部分であって、廃
液を蒸発させることができる廃液蒸発可能領域）７に廃
液を導入し、この所定領域７で廃液を完全に蒸発させた
のち、上記熱交換器６の上側部分（上記所定領域７より
高温側の部分）に導入し、常温付近まで加温するように
したものであり、上記熱交換器６の所定領域７を廃液蒸
発手段として利用している。
気分離装置の主熱交換器１，廃液蒸発器２に代えて、１
つの熱交換器（例えば、アルミプレートフィン熱交換
器）６を用い、この熱交換器６を熱交換手段と廃液蒸発
手段の双方に利用したものである。すなわち、上記熱交
換器６の所定領域（熱交換器６の下側部分であって、廃
液を蒸発させることができる廃液蒸発可能領域）７に廃
液を導入し、この所定領域７で廃液を完全に蒸発させた
のち、上記熱交換器６の上側部分（上記所定領域７より
高温側の部分）に導入し、常温付近まで加温するように
したものであり、上記熱交換器６の所定領域７を廃液蒸
発手段として利用している。
【００２５】図７に示す空気分離装置は、図４に示す空
気分離装置の主熱交換器１，廃液蒸発器２に代えて、１
つの熱交換器（例えば、アルミプレートフィン熱交換
器）６を用い、この熱交換器６を熱交換手段と廃液蒸発
手段の双方に利用したものである。この空気分離装置
も、図６に示す空気分離装置と同様に作用する。
気分離装置の主熱交換器１，廃液蒸発器２に代えて、１
つの熱交換器（例えば、アルミプレートフィン熱交換
器）６を用い、この熱交換器６を熱交換手段と廃液蒸発
手段の双方に利用したものである。この空気分離装置
も、図６に示す空気分離装置と同様に作用する。
【００２６】
【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。
【００２７】図８は本発明の空気分離装置の一実施の形
態を示している。この実施の形態では、空気分離装置と
して、寒冷として液体窒素を注入して窒素ガスを製造す
る窒素発生装置が用いられている。また、この実施の形
態は、図１１に示す例において、廃液の蒸発方法に係わ
る部分のみが相違しているだけであり、それ以外の部分
は図１１に示す例と同様であり、同様の部分には同じ符
号を付している。
態を示している。この実施の形態では、空気分離装置と
して、寒冷として液体窒素を注入して窒素ガスを製造す
る窒素発生装置が用いられている。また、この実施の形
態は、図１１に示す例において、廃液の蒸発方法に係わ
る部分のみが相違しているだけであり、それ以外の部分
は図１１に示す例と同様であり、同様の部分には同じ符
号を付している。
【００２８】より詳しく説明すると、この実施の形態に
おいても、図１１に示す例と同様、原料空気中の微量な
炭化水素類は凝縮器１３内の液体空気１８に濃縮してい
る。この凝縮器１３の底部から抜き出された廃液（液体
空気１８）は、まず、廃液膨脹弁８により減圧される。
ついで、減圧された廃液は廃液蒸発器９の上方に送ら
れ、原料空気と熱交換することにより蒸発し、その全て
がガスとなる。そののち、このガスは主熱交換器１１に
送られ、原料空気と熱交換することにより常温付近まで
加温され、大気へ放出される。一方、原料空気は主熱交
換器１１で液化温度付近まで冷却されたのち、廃液蒸発
器９へ導入され、廃液と熱交換することによりさらに冷
却される。
おいても、図１１に示す例と同様、原料空気中の微量な
炭化水素類は凝縮器１３内の液体空気１８に濃縮してい
る。この凝縮器１３の底部から抜き出された廃液（液体
空気１８）は、まず、廃液膨脹弁８により減圧される。
ついで、減圧された廃液は廃液蒸発器９の上方に送ら
れ、原料空気と熱交換することにより蒸発し、その全て
がガスとなる。そののち、このガスは主熱交換器１１に
送られ、原料空気と熱交換することにより常温付近まで
加温され、大気へ放出される。一方、原料空気は主熱交
換器１１で液化温度付近まで冷却されたのち、廃液蒸発
器９へ導入され、廃液と熱交換することによりさらに冷
却される。
【００２９】このような空気分離装置における、冷熱回
収手段の優劣は、寒冷として使用する液体窒素の量で明
確に比較することができる。そこで、図８に示す空気分
離装置と、図１１に示す例（従来例）とについて、廃液
の蒸発方法を除いては同一の条件下でプロセスシュミレ
ーションを行い、液体窒素消費量の原料空気に対する流
量比を算出した。その結果を下記の表１に示す。
収手段の優劣は、寒冷として使用する液体窒素の量で明
確に比較することができる。そこで、図８に示す空気分
離装置と、図１１に示す例（従来例）とについて、廃液
の蒸発方法を除いては同一の条件下でプロセスシュミレ
ーションを行い、液体窒素消費量の原料空気に対する流
量比を算出した。その結果を下記の表１に示す。
【００３０】
【表１】
【００３１】上記の表１から明らかなように、図８に示
す空気分離装置のほうが、図１１に示す例（従来例）よ
りも、寒冷として注入する液体窒素の量が少ない。この
理由は、つぎの通りである。
す空気分離装置のほうが、図１１に示す例（従来例）よ
りも、寒冷として注入する液体窒素の量が少ない。この
理由は、つぎの通りである。
【００３２】すなわち、寒冷として注入する液体窒素の
量は熱交換器１１における熱交換ロスおよび外部侵入熱
に依存している。ここで、外部侵入熱は同一の条件とし
ているため、今回の比較では、熱交換器１１における熱
交換ロスが液体窒素量の差となって現れている。加え
て、図８に示す空気分離装置および図１１に示す例にお
いても、製品窒素ガスおよび排窒素ガスの冷熱は主熱交
換器１１で回収されているため、同一の条件であるとい
える。つまり、上記比較における液体窒素量の差は廃液
の冷熱回収手段の優劣を示していることに他ならない。
量は熱交換器１１における熱交換ロスおよび外部侵入熱
に依存している。ここで、外部侵入熱は同一の条件とし
ているため、今回の比較では、熱交換器１１における熱
交換ロスが液体窒素量の差となって現れている。加え
て、図８に示す空気分離装置および図１１に示す例にお
いても、製品窒素ガスおよび排窒素ガスの冷熱は主熱交
換器１１で回収されているため、同一の条件であるとい
える。つまり、上記比較における液体窒素量の差は廃液
の冷熱回収手段の優劣を示していることに他ならない。
【００３３】図１１に示す例では、廃液蒸発器１４にお
ける熱交換ロスも含まれるが、廃液の流量は原料空気の
流量の１％以下と非常に少なく、廃液蒸発器１４での熱
交換量は主熱交換器１１のそれと比較して、非常に小さ
い。このため、概略的に無視して差し支えない。したが
って、これら熱交換ロスは概略的に主熱交換器１１の温
端温度差（主熱交換器１１の温端におけるＨｏｔ側流体
とＣｏｌｄ側流体との温度差）に現れ、この温端温度差
を小さくできる冷熱回収手段がより優れているといえ
る。
ける熱交換ロスも含まれるが、廃液の流量は原料空気の
流量の１％以下と非常に少なく、廃液蒸発器１４での熱
交換量は主熱交換器１１のそれと比較して、非常に小さ
い。このため、概略的に無視して差し支えない。したが
って、これら熱交換ロスは概略的に主熱交換器１１の温
端温度差（主熱交換器１１の温端におけるＨｏｔ側流体
とＣｏｌｄ側流体との温度差）に現れ、この温端温度差
を小さくできる冷熱回収手段がより優れているといえ
る。
【００３４】そこで、図８に示す空気分離装置における
廃液蒸発器９内部の温度変化の概略図を図９に示す。こ
の図９と図１３とを比較すれば明らかなように、その温
度差は図９のほうが大幅に小さくなっている。このこと
により、図８に示す空気分離装置は、冷熱回収の経済的
観念から好ましい熱交換状態となっていることがわか
る。
廃液蒸発器９内部の温度変化の概略図を図９に示す。こ
の図９と図１３とを比較すれば明らかなように、その温
度差は図９のほうが大幅に小さくなっている。このこと
により、図８に示す空気分離装置は、冷熱回収の経済的
観念から好ましい熱交換状態となっていることがわか
る。
【００３５】さらに、図８に示す空気分離装置および図
１１に示す例での主熱交換器１１内部の温度差の変化を
比較した概略図を図１０に示す。この図１０により、図
１１に示す例では大きかった温端温度差が、図８に示す
空気分離装置では小さくなっていることが明らかであ
る。すなわち、図８に示す空気分離装置により冷熱の回
収が改善され、寒冷として注入しなければならない液体
窒素の量を大幅に削減することができる。
１１に示す例での主熱交換器１１内部の温度差の変化を
比較した概略図を図１０に示す。この図１０により、図
１１に示す例では大きかった温端温度差が、図８に示す
空気分離装置では小さくなっていることが明らかであ
る。すなわち、図８に示す空気分離装置により冷熱の回
収が改善され、寒冷として注入しなければならない液体
窒素の量を大幅に削減することができる。
【００３６】なお、上記実施の形態では、寒冷として液
体窒素を注入し窒素ガスを製造する窒素発生装置を用い
ているが、これに限定するものではなく、他の方式の各
種の空気分離装置を用いることができ、これら各種の空
気分離装置においても、本発明は当然に有効である。例
えば、液体製品を製造する空気分離装置においては、寒
冷がより有効に回収されることにより、液体製品製造量
を増加させることができる。また、寒冷を膨脹タービン
で発生させている場合には、膨脹させる圧力幅を小さく
することができ、消費動力の削減が可能となる。
体窒素を注入し窒素ガスを製造する窒素発生装置を用い
ているが、これに限定するものではなく、他の方式の各
種の空気分離装置を用いることができ、これら各種の空
気分離装置においても、本発明は当然に有効である。例
えば、液体製品を製造する空気分離装置においては、寒
冷がより有効に回収されることにより、液体製品製造量
を増加させることができる。また、寒冷を膨脹タービン
で発生させている場合には、膨脹させる圧力幅を小さく
することができ、消費動力の削減が可能となる。
【００３７】
【発明の効果】以上のように、本発明の空気分離装置に
よれば、熱交換手段で液化温度付近まで冷却された原料
空気の全部もしくは一部と廃液とを熱交換させることに
より廃液を蒸発させ、この蒸発により生じるガスを上記
熱交換手段に導入して常温付近まで加温しているため、
従来例のように、廃液蒸発器で原料空気と廃液とを向流
で熱交換する必要がない。これにより、廃液蒸発手段に
おいて廃液との熱交換により原料空気が液化しても不具
合が生じず、廃液蒸発手段における温度差（原料空気と
廃液との温度差）が従来例と比較して小さくなる。した
がって、廃液の冷熱を有効に回収することができ、空気
分離装置で製造される製品の製造に必要となるエネルギ
ー（寒冷や電力等）を低減することが可能になる。
よれば、熱交換手段で液化温度付近まで冷却された原料
空気の全部もしくは一部と廃液とを熱交換させることに
より廃液を蒸発させ、この蒸発により生じるガスを上記
熱交換手段に導入して常温付近まで加温しているため、
従来例のように、廃液蒸発器で原料空気と廃液とを向流
で熱交換する必要がない。これにより、廃液蒸発手段に
おいて廃液との熱交換により原料空気が液化しても不具
合が生じず、廃液蒸発手段における温度差（原料空気と
廃液との温度差）が従来例と比較して小さくなる。した
がって、廃液の冷熱を有効に回収することができ、空気
分離装置で製造される製品の製造に必要となるエネルギ
ー（寒冷や電力等）を低減することが可能になる。
【００３８】本発明において、廃液の蒸発に先立って、
廃液を廃液膨脹弁で膨脹させるようにした場合には、液
ヘッドにより圧力上昇した廃液を廃液膨脹弁で膨脹させ
て減圧することができる。これにより、廃液の蒸発温度
が低下し、液化温度付近まで冷却された原料空気によっ
ても廃液を完全に蒸発させることが可能となる。
廃液を廃液膨脹弁で膨脹させるようにした場合には、液
ヘッドにより圧力上昇した廃液を廃液膨脹弁で膨脹させ
て減圧することができる。これにより、廃液の蒸発温度
が低下し、液化温度付近まで冷却された原料空気によっ
ても廃液を完全に蒸発させることが可能となる。
【図１】本発明の空気分離装置の一例を示す要部概略図
である。
である。
【図２】本発明の空気分離装置の他の例を示す要部概略
図である。
図である。
【図３】廃液を完全に蒸発させるために必要な圧力を示
す概略図である。
す概略図である。
【図４】本発明の空気分離装置のさらに他の例を示す要
部概略図である。
部概略図である。
【図５】本発明の空気分離装置のさらに他の例を示す要
部概略図である。
部概略図である。
【図６】本発明の空気分離装置のさらに他の例を示す要
部概略図である。
部概略図である。
【図７】本発明の空気分離装置のさらに他の例を示す要
部概略図である。
部概略図である。
【図８】本発明の空気分離装置の一実施の形態を示す説
明図である。
明図である。
【図９】上記実施の形態における廃液蒸発器内部の温度
変化の概略図である。
変化の概略図である。
【図１０】主熱交換器内部の温端温度差の変化を比較し
た概略図である。
た概略図である。
【図１１】従来例を示す説明図である。
【図１２】廃液蒸発器内部の温度変化の理想概略図であ
る。
る。
【図１３】廃液蒸発器内部の温度変化の典型概略図であ
る。
る。
９ 廃液蒸発器
１１ 主熱交換器
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 末長 純也
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６−341760（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
F25J 1/00 - 5/00
Claims (2)
- 【請求項１】 外部から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り圧縮された原料空
気を冷却する熱交換手段と、装置の凝縮器内に凝縮生成
された炭化水素類含有廃液を蒸発させる廃液蒸発手段と
を備え、上記熱交換手段で冷却された原料空気の全部も
しくは一部を廃液蒸発手段に導入し、この廃液蒸発手段
で上記原料空気の全部もしくは一部と炭化水素類含有廃
液とを熱交換させることにより炭化水素類含有廃液を蒸
発させ、この蒸発により生じるガスを上記熱交換手段に
導入して原料空気と熱交換することにより常温付近まで
加温するようにしたことを特徴とする空気分離装置。 - 【請求項２】 廃液の蒸発に先立って、廃液を廃液膨脹
弁で膨脹させるようにした請求項１記載の空気分離装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30731399A JP3526796B2 (ja) | 1999-10-28 | 1999-10-28 | 空気分離装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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