JP3532465B2

JP3532465B2 - 空気分離装置

Info

Publication number: JP3532465B2
Application number: JP20685099A
Authority: JP
Inventors: 俊一高橋; 耕治田中; 有幸藤本; 嘉昭裏久保
Original assignee: Air Water Inc
Current assignee: Air Water Inc
Priority date: 1999-07-21
Filing date: 1999-07-21
Publication date: 2004-05-31
Anticipated expiration: 2019-07-21
Also published as: JP2001033155A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空気分離装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、空気分離装置において、原料
空気中の不純物（Ｈ₂Ｏ・ＣＯ₂等）を除去する前処理
装置として、ＰＳＡ方式またはＴＳＡ方式の２塔式交互
切替タイプ吸着除去装置が用いられている。その中で
も、ＴＳＡ方式が、プロセスの圧力変動が少なく、切替
時間が長いという理由で、ほとんどの装置に採用されて
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
両方式には、つぎのような問題がある。すなわち、ＰＳ
Ａ方式は、吸着剤の各圧力における吸着容量の差を利用
して不純物（Ｈ₂Ｏ・ＣＯ₂等）を除去する方式であ
る。このため、運転圧力と再生圧力に大きな差があるほ
ど、吸着剤の単位重量当たりの吸着容量が多くなる。当
然、ある装置を設計した場合に、圧力差が大きいほど、
吸着剤の総量を減らすことができる。また、圧力が高い
ほど、原料空気中の飽和水分量が低下するため、総吸着
容量が減り、これに伴い吸着剤の総量を減らすことがで
きる。

【０００４】一方、吸着した吸着剤は再生を行う必要が
ある。この吸着剤の再生は、空気分離装置においては、
通常、精留塔等で発生した製品以外の排ガスを利用して
行っている。現在のところ、原料空気圧力が０．５ＭＰ
ａ以下であると、精製のための吸着剤が多量に必要とさ
れるのに対し、それを再生する排ガス量が不足してお
り、システムとして成り立っていない。

【０００５】また、ＴＳＡ方式は、吸着剤の各温度にお
ける吸着容量の差を利用して不純物（Ｈ₂Ｏ・ＣＯ
₂等）を除去する方式である。このため、運転温度と再
生温度に大きな差があるほど、吸着剤の単位重量当たり
の吸着容量が多くなる。当然、ある装置を設計した場合
に、温度差が大きいほど、吸着剤の総量を減らすことが
できる。また、圧力が高いほど、原料空気中の飽和水分
量が低下するため、総吸着容量が減り、これに伴い吸着
剤の総量を減らすことができる。

【０００６】一方、ＴＳＡ方式においても、吸着した吸
着剤は再生を行う必要があるが、ＰＳＡ方式と同様の事
情で、原料空気圧力が０．５ＭＰａ以下であると、シス
テムとして成り立っていない。そこで、原料空気圧力が
０．５ＭＰａ以下である場合には、前段に冷却手段（通
常は、冷凍機）を設け、この冷却手段により原料空気を
５℃程度に冷却して原料空気中の水分をある程度除去
し、総吸着量を減らすことにより、システムを成立させ
ている。

【０００７】以上のように、０．５ＭＰａ以下の原料空
気中の不純物を精製する場合に、ＰＳＡ方式では無理で
あり、ＴＳＡ方式では前段に冷却手段を設ける必要があ
る。ところが、冷凍機は回転機器を持つ機械設備である
ために機械故障のリスクを常に持っている。また、１年
の周期で必ずメンテナンスを実施しなければ、故障の確
率が増大する。しかも、冷凍機は、原料空気の出口温度
が一定となるように制御されているが、冷凍機に対する
負荷は季節によって大きく変化する（その変化幅は５０
〜１００％程度である）ため、その調整は困難を極めて
いる。さらに、冷凍機の最も一般的な冷媒はフロンガス
であるが、このフロンガスは、世界的な環境の問題から
全廃の方向に進行中である。また、代替ガスとしてのア
ンモニア等は設備費が増大し、また、漏洩による危険性
が高い。

【０００８】本発明は、このような事情に鑑みなされた
もので、冷凍機を削除することのできる空気分離装置の
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、本発明の空気分離装置は、外部より取り入れた原料
空気を圧縮する圧縮機と、この圧縮機による圧縮熱によ
って昇温した原料空気を水と熱交換させて冷却する第１
の熱交換器と、この第１の熱交換器による冷却によって
発生した凝縮水を分離する凝縮水分離器と、この凝縮水
分離器を経た原料空気中の水分をさらに吸着して除湿す
る第１の吸着塔と、この第１の吸着塔による吸着除湿に
よって昇温した原料空気を水と熱交換させて冷却する第
２の熱交換器と、この第２の熱交換器を経由した原料空
気中の炭酸ガスと水とを吸着して除去する第２の吸着塔
と、この第２の吸着塔を経た原料空気を超低温に冷却す
る主熱交換手段と、この主熱交換手段により超低温に冷
却された原料空気の一部を液化して底部に溜め窒素のみ
を気体として上部側から取り出す精留塔と、この精留塔
から気体として取り出される窒素を上記主熱交換手段を
経由させその内部を通る原料空気と熱交換させることに
より温度上昇させ取り出す窒素ガス取出路とを備え、上
記第１および第２の吸着塔をそれぞれ別々に設け、第２
の吸着塔を経た再生ガスを第１の吸着塔に供給するよう
に構成したという構成をとる。

【００１０】すなわち、本発明の空気分離装置は、圧縮
機と主熱交換手段との間に、第１の熱交換器と凝縮水分
離器と第１の吸着塔と第２の熱交換器と第２の吸着塔と
を備えている。そして、第１の熱交換器により、圧縮機
による圧縮熱によって昇温した原料空気を水（例えば、
３２℃以下の冷却水）と熱交換させて冷却し、ついで凝
縮水分離器により、第１の熱交換器による冷却によって
発生した凝縮水を分離し、つぎに第１の吸着塔により、
凝縮水分離器を経た原料空気中の水分をさらに吸着して
除湿し、つぎに第２の熱交換器により、第１の吸着塔に
よる吸着除湿によって昇温した原料空気を水（例えば、
３２℃以下の冷却水）と熱交換させて冷却し、つぎに第
２の吸着塔により、第２の熱交換器を経由した原料空気
中の炭酸ガスと水とを吸着して除去したのち、精製ガス
として主熱交換手段，精留塔に導入するようにしてい
る。このように、本発明では、第２の吸着塔の前段に設
けた第１の熱交換器，凝縮水分離器および第１の吸着塔
により、原料空気中の水分を除去することができ、従来
例の冷凍機を削除することができる。この効果は、原料
空気圧力が０．５ＭＰａ以下である場合にも、０．５Ｍ
Ｐａ以上である場合にも奏することは当然である。

【００１１】また、本発明において、第１の吸着塔およ
び第２の吸着塔をそれぞれ２塔式とし、精製工程におい
て、第１の吸着塔では主に原料空気中の水分を吸着除湿
し、第２の吸着塔では原料空気中の水分をさらに吸着除
去するとともに、炭酸ガスを吸着除去する場合には、つ
ぎのような利点がある。すなわち、通常の２塔式を直列
にすると、再生ガス量不足のためにシステムとして成立
しないのに対し、本発明では、そのシステムを成立させ
ることができるという利点がある。より詳しく説明する
と、本発明では、第１の吸着塔を水分精製用（粗精製
用）として用い、第２の吸着塔を水分精製用（精密精製
用）と炭酸ガス精製用として用い、また、第２の吸着塔
に原料空気を導入する前に、第１の吸着塔の水分吸着時
に発生する吸着熱を第２の熱交換器により除去するよう
にしている。したがって、第２の吸着塔の運転温度が低
下し、吸着剤の炭酸ガス吸着容量が大きくなり、第２の
吸着塔の充填量が低減する。しかも、第１の吸着塔を水
分精製用（粗精製用）とすることにより、吸着剤量に余
裕が不要となり、第１の吸着塔の充填量が低減する。ま
た、第１の吸着塔と第２の吸着塔とに分離することによ
り、第２の吸着塔で再生に使用した、多量の炭酸ガスお
よび少量の水分を含む再生ガスを、再度第１の吸着塔の
再生に使用することができ、必要再生ガス量が半減す
る。また、第１の吸着塔において、吸着剤として合成ゼ
オライトを使用した場合には、運転の初期段階でほぼ全
量の炭酸ガスを吸着し、また、それ以降（中期，後期）
で炭酸ガスを通常の濃度の１．５倍以上の濃度で放出す
る。したがって、第２の吸着塔にとっては、高濃度の炭
酸ガスを吸着することとなり、その場合の吸着剤の吸着
容量は増加する。これにより、第２の吸着塔の吸着剤の
充填量を低減することができる。

【００１２】また、本発明において、第１の吸着塔に用
いる吸着剤が水分吸着容量の大きい合成ゼオライトであ
り、第２の吸着塔に用いる吸着剤が炭酸ガスの吸着容量
の大きい合成ゼオライトである場合には、第１の吸着塔
を水分精製用として用い、第２の吸着塔を水分精製用と
炭酸ガス精製用として用いるのに、好適である。

【００１３】

【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。

【００１４】図１は本発明の空気分離装置の前処理装置
の一実施の形態を示すフローシートである。この実施の
形態では、Ａは原空圧縮機であり、図２に示すように、
外部より取り入れた原料空気を清浄化するフィルター１
と、第１圧縮機２と、第１圧縮機２を経た原料空気を冷
却水（３２℃以下）により４０℃程度に冷却するインタ
ークーラー３と、第２圧縮機４と、第２圧縮機４を経た
原料空気と再生ガス（精留塔４１〔図６参照〕で発生し
た排ガス）とを熱交換させて原料空気を降温させるとと
もに再生ガスを昇温（３０→１１０℃）させる排熱回収
器５と、排熱回収器５を経た原料空気を冷却水（３２℃
以下）により４０℃以下に冷却するアフタークーラー６
とを備えている。図において、８は再生ガスを排熱回収
器５に供給するパイプ（放出パイプ５４〔図６参照〕に
接続している）であり、９は排熱回収器５を経た再生ガ
スを後述する第２吸着ユニットＥの第２再生ヒーター２
７に供給するパイプである。

【００１５】Ｂは原空冷却器ユニットであり、図２に示
すように、アフタークーラー６を経た原料空気を冷却水
（３２℃以下）により３４℃以下に冷却する第１原空冷
却器（第１の熱交換器）１０と、第１原空冷却器１０に
よる冷却によって発生した凝縮水を分離するミストセパ
レーター１１と、後述する空気処理設備Ｄの原空熱交換
器２０で降温した原料空気を冷却水（３２℃以下）によ
り３４℃以下に冷却する第２原空冷却器（第２の熱交換
器）１２とを備えている。図において、７は原空圧縮機
Ａのインタークーラー３，アフタークーラー６および原
空冷却器ユニットＢの第１原空冷却器１０，第２原空冷
却器１２に冷却水（３２℃以下）を供給するパイプであ
り、１３はミストセパレーター１１を経た原料空気を後
述する第１吸着ユニットＣの第１吸着塔１５もしくは第
２吸着塔１６に供給するパイプであり、２３は原空熱交
換器２０を経た原料空気を第２原空冷却器１２に供給す
るパイプであり、２４は第２原空冷却器１２を経た原料
空気を後述する第２吸着ユニットＥの第１吸着塔２５も
しくは第２吸着塔２６に供給するパイプである。

【００１６】Ｃは第１吸着ユニットであり、図３に示す
ように、ＴＳＡ方式による２塔交互切替式の第１吸着塔
１５，第２吸着塔１６と、第１再生ヒーター１７とを備
えている。上記両吸着塔１５，１６には、水分の吸着容
量が大きい合成ゼオライトが充填されており、精製工程
では、ミストセパレーター１１を経た原料空気中の水分
を露点−２０℃以下まで、ＣＯ₂を初期の段階では１０
ｐｐｍ以下に、中期，後期では５００ｐｐｍ程度に吸着
除去する。一方、第１再生ヒーター１７では、第２吸着
ユニットＥの第１吸着塔２５もしくは第２吸着塔２６を
経た再生ガスを１７０℃程度に加熱する。図において、
１８は第１吸着ユニットＣの第１吸着塔１５もしくは第
２吸着塔１６を経た原料空気を後述する原空熱交換器２
０に供給するパイプであり、１９は再生ガスを外部に放
出する放出弁１９ａ付きパイプであり、２８は第２吸着
ユニットＥの第１吸着塔２５もしくは第２吸着塔２６を
経た再生ガスを第１再生ヒーター１７に供給するパイプ
である。このパイプ２８は、後述するバイパスパイプ３
０，バイパス弁３０ａによりバイパスされた再生ガスを
第１吸着ユニットＣの第１吸着塔１５もしくは第２吸着
塔１６に供給する作用もする。

【００１７】Ｄは空気処理設備であり、図４に示すよう
に、第１吸着ユニットＣの第１吸着塔１５もしくは第２
吸着塔１６を経た原料空気（入口ガス）と後述する触媒
塔２２を経た原料空気（出口ガス）とを熱交換させて入
口ガスを加温させるとともに出口ガスを降温させる原空
熱交換器２０と、原空熱交換器２０により加温された原
料空気（上記入口ガス）を触媒塔（空気処理塔）２２で
の酸化反応温度まで再加温させる（この再加温は、原空
熱交換器２０の温端ロスおよび外部放熱分を補うために
行う）原空ヒーター２１と、原空ヒーター２１により再
加温された原料空気中のＣＯおよびＨ₂を酸化反応しそ
れぞれＣＯ₂およびＨ₂Ｏに変化させる触媒塔２２とを
備えている。この触媒塔２２での一般的な酸化反応温度
は、水素除去目的の場合に１６０〜２８０℃であり、Ｃ
Ｏ除去目的の場合に９０〜１６０℃である。この実施の
形態では、導入する原料空気中に触媒毒が殆ど無く、反
応の活性の高い乾燥状態であるため、触媒塔２２での酸
化反応温度を一般的な反応温度に対して８０〜２００℃
程度に低く設定することができる。

【００１８】Ｅは第２吸着ユニットであり、図３に示す
ように、ＴＳＡ方式による２塔交互切替式の第１吸着塔
２５，第２吸着塔２６と、第２再生ヒーター２７とを備
えている。上記両吸着塔２５，２６には、ＣＯ₂の吸着
容量が大きい合成ゼオライトが充填されており、精製工
程では、第２原空冷却器１２を経た原料空気中の水分を
露点−７０℃以下まで、ＣＯ₂を１ｐｐｍ以下まで吸着
除去する。また、従来のＴＳＡ方式により吸着除去して
いたアセチレン等の炭化水素も同様に吸着除去する。一
方、第２再生ヒーター２７では、排熱回収器５を経由し
た再生ガスを２１０℃程度に加熱する。図において、２
９は冷却工程において再生ガスを第２吸着ユニットＥの
第１吸着塔２５もしくは第２吸着塔２６に直接供給する
切換弁２９ａ付きパイプであり、３０は再生ガスをバイ
パスしてパイプ２８に供給するバイパス弁３０ａ付きバ
イパスパイプであり、３１は原料空気（精製ガス）を第
１および第２の主熱交換器４０ａ，４０ｂ（図６参照）
に送るパイプである。

【００１９】上記構成において、つぎのようにして、精
製および再生を行う。すなわち、精製工程では、原空圧
縮機Ａの圧縮機２，４により圧縮した原料空気をアフタ
ークーラー６により４０℃以下に冷却する。ついで、ア
フタークーラー６により冷却した原料空気を原空冷却器
ユニットＢの第１原空冷却器１０の冷却水により３４℃
以下に冷却し、この冷却により発生した凝縮水をミスト
セパレーター１１により原料空気から分離する。このと
き、凝縮時に凝縮水に溶け込んだ原料空気中の大半の代
表的な触媒毒であるＳＯ_Xも、凝縮水とともに原料空気
から分離される。つぎに、ミストセパレーター１１を経
由した原料空気を第１吸着ユニットＣの精製工程の第１
吸着塔１５もしくは第２吸着塔１６（以下、精製塔とい
う）に供給し、ここで原料空気中の水分を露点−２０℃
以下まで、ＣＯ₂を初期段階では１０ｐｐｍ以下に、中
期，後期では５００ｐｐｍ程度に吸着除去する。このと
きミストセパレーター１１での凝縮水分離時に一部残っ
ていたＳＯ_Xも、水分とともに吸着されるか、もしく
は、合成ゼオライト等と反応し、除去される。また、水
分吸着により吸着熱が発生し、５〜３０℃程度原料空気
が温度上昇する。

【００２０】つぎに、精製塔１５（１６）を経た原料空
気を空気処理設備Ｄの原空熱交換器２０に供給し、触媒
塔２２を経た原料空気と熱交換して加温したのち、原空
ヒーター２１により酸化反応温度まで再加温し触媒塔２
２に供給する。この触媒塔２２では、原料空気中のＣＯ
およびＨ₂を酸化反応し、それぞれＣＯ₂およびＨ₂Ｏ
に変化させる。つぎに、触媒塔２２を経た原料空気を再
度原空熱交換器２０に供給し、精製塔１５（１６）を経
た原料空気と熱交換して降温したのち、第２原空冷却器
１２の冷却水により３４℃以下に冷却する。そののち、
第２原空冷却器１２を経た原料空気（水分：露点−２０
℃以下，ＣＯ₂：０〜５００ｐｐｍ，温度３４℃以下）
を第２吸着ユニットＥの精製工程の第１吸着塔２５もし
くは第２吸着塔２６（以下、精製塔という）に供給し、
ここで水分：露点−７０℃以下，ＣＯ₂：１ｐｐｍ以下
まで精製する。このとき、アセチレン等の炭化水素も同
様に吸着除去する。なお、原料空気を第２原空冷却器１
２で冷却することなく、第２吸着ユニットＥの精製塔２
５（２６）に供給する場合には、吸着温度が高く、吸着
剤のＣＯ₂を吸着する吸着容量が半減することになる。
そして、第２吸着ユニットＥの精製塔２５（２６）を経
た原料空気（精製ガス）をパイプ３１により第１および
第２の主熱交換器４０ａ，４０ｂ，精留塔４１に送る
（図６参照）。

【００２１】一方、再生工程では、再生ガスを原空圧縮
機Ａの排熱回収器５に供給し、ここで圧縮機４の圧縮熱
を回収して加熱する（３０→１００℃）。ついで、排熱
回収器５を経た再生ガスを第２再生ヒーター２７により
２１０℃程度に加熱したのち、第２吸着ユニットＥの再
生工程の第２吸着塔２６もしくは第１吸着塔２５（以
下、再生塔という）に供給し加熱する。この実施の形態
では、再生ガスを効率よく利用するために、第２吸着ユ
ニットＥでの精製工程，再生工程（加熱工程＋冷却工
程）を第１吸着ユニットＣでの精製工程，再生工程（加
熱工程＋冷却工程）より１時間早める（図５参照）。

【００２２】第２吸着ユニットＥの再生塔２６（２５）
が加熱工程の初期１時間は、第１吸着ユニットＣが切替
中であるため、パイプ２８中の再生塔２６（２５）使用
済み再生ガスをパイプ１９，放出弁１９ａにより放出す
る。すなわち、再生ガスとして、精留塔４１で発生した
排ガスを使用しているため、再生ガス量を変動させるこ
とは精留塔４１の圧力等の制御に外乱を与えることにな
る。これを防止するために、この実施の形態では、再生
ガスが必要でない場合に（切替時に）、同一量を外部に
放出している。

【００２３】第２吸着ユニットＥの再生塔２６（２５）
の加熱工程の１時間経過後、第１吸着ユニットＣの第２
吸着塔１６もしくは第１吸着塔１５は加熱工程に入る。
この加熱工程では、再生塔２６（２５）を加熱した再生
ガスは第１再生ヒーター１７により１７０℃程度に再加
熱されたのち、上記加熱工程の第２吸着塔１６もしくは
第１吸着塔１５（以下、再生塔という）を加熱する。な
お、第２吸着ユニットＥの再生塔２６（２５）が加熱工
程に入ったとき、この再生塔２６（２５）の加温のため
に再生ガスは熱量を消費し、再生塔２６（２５）の塔出
口では常温の状態となっているが、加熱工程の約１時間
経過後には、次第に再生塔２６（２５）の塔本体が加温
され、上記再生塔２６（２５）の塔出口での再生ガスの
温度も上昇を始める。第１吸着ユニットＣの再生塔１６
（１５）の加熱工程は、上記再生塔２６（２５）の塔出
口での再生ガスが温度上昇を始めた時間にスタートす
る。

【００２４】つぎに、第２吸着ユニットＥの再生塔２６
（２５）の加熱工程終了後、冷却工程に入る。この冷却
工程は、パイプ２９，切換弁２９ａにより、再生ガスを
直接再生塔２６（２５）に導入して行う。第２吸着ユニ
ットＥの再生塔２６（２５）が冷却工程に入ったとき、
この再生塔２６（２５）の冷却のために再生ガスは高温
の状態となっている。そして、この高温の状態で再生ガ
スが第１吸着ユニットＣの再生塔１６（１５）に供給さ
れる。それ以降も第２吸着ユニットＥの再生塔２６（２
５）が常温になるまでは、第１吸着ユニットＣの再生塔
１６（１５）が加熱工程であるために、第２吸着ユニッ
トＥの再生塔２６（２５）において加熱に使用された熱
はほとんど第１吸着ユニットＣの再生塔１６（１５）の
加熱に再利用される。このように、両吸着ユニットＣ，
Ｅの切替時間を１時間遅らせることにより、再生熱の回
収を効率的に行うことができる。また、両吸着ユニット
Ｃ，Ｅの切替を同時に行わないことにより、精製ガスラ
インの圧力変動を低減することができる。

【００２５】第２吸着ユニットＥの再生塔２６（２５）
の冷却工程終了１時間前に、第１吸着ユニットＣの再生
塔１６（１５）は冷却工程を開始する。その時点では、
再生塔２６（２５）使用済み再生ガスの温度はほぼ常温
となっているため、第１吸着ユニットＣの再生塔１６
（１５）の冷却に支障はない。なお、第１再生ヒーター
１７は作動停止の状態になっている。そして、第２吸着
ユニットＥは冷却工程終了後に、切替工程に入る。その
とき、第１吸着ユニットＣの再生塔１６（１５）は冷却
工程を続けているために、バイパスパイプ３０，バイパ
ス弁３０ａ，パイプ２８により再生ガスを直接第１吸着
ユニットＣの再生塔１６（１５）に送る。以上のような
プロセスにより、非常に効率良く、前処理装置を運転す
ることができる。また、切替工程には、昇圧・並列・脱
圧工程があり、精製は連続的に行われる。

【００２６】上記の前処理装置により精製された原料空
気（精製ガス）は、図６に示すように、第１および第２
の主熱交換器４０ａ，４０ｂに送られる。図６におい
て、４０ａは第１の主熱交換器であり、上記の前処理装
置により精製された原料空気がパイプ３１により送り込
まれる。４０ｂは第２の主熱交換器であり、第１の主熱
交換器４０ａを経た原料空気が送り込まれる。４１は、
塔頂に、凝縮器４２ａ内蔵の分縮器４２を備えた精留塔
であり、第１および第２の主熱交換器４０ａ，４０ｂに
より超低温に冷却されパイプ４３を経て送り込まれる原
料空気をさらに冷却し、その一部を液化し液体空気４４
として底部に溜め、窒素のみを気体状態で上部天井部に
溜めるようになっている。

【００２７】４５は液体窒素貯槽であり、内部の液体窒
素（高純度品）を、導入路パイプ４６を経由させて精留
塔４１の上部側に送入し、精留塔４１内に供給される原
料空気の寒冷源にする。ここで精留塔４１についてより
詳しく説明すると、上記精留塔４１は天井板４１ａの上
側に分縮器４２を備えており、上記分縮器４２内の凝縮
器４２ａには、精留塔４１の上部に溜る窒素ガスの一部
が第１の還流液パイプ４７を介して送入される。この分
縮器４２内は、精留塔４１内よりも減圧状態になってお
り、精留塔４１の底部の貯留液体空気（Ｎ₂５０〜７０
％，Ｏ₂３０〜５０％）４４が膨脹弁４９ａ付きパイプ
４９を経て送り込まれ、気化して内部温度を液体窒素の
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、凝縮器４２ａ内に送入された窒素ガスが液化す
る。

【００２８】５１は液面計であり、分縮器４２内の液体
空気４４の液面が一定レベルを保つようその液面に応じ
てバルブ４６ａを制御し液体窒素貯槽４５からの液体窒
素の供給量を制御する。精留塔４１の上部側の部分に
は、上記分縮器４２内の凝縮器４２ａで生成した液体窒
素が第２の還流液パイプ４８を通って流下供給されると
ともに、液体窒素貯槽４５から液体窒素が導入路パイプ
４６を経て供給され、これらが精留塔４１内を下方に流
下し、精留塔４１の底部から上昇する原料空気と向流的
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。この過程で原料空気中の高沸点成分は液化されて精
留塔４１の底部に溜り、低沸点成分の窒素ガスが精留塔
４１の上部に溜る。

【００２９】５２は精留塔４１の上部天井部に溜った窒
素ガスを製品窒素ガスとして取り出す取出パイプで、超
低温の窒素ガスを第２および第１の主熱交換器４０ｂ，
４０ａ内に案内し、そこに送り込まれる原料空気と熱交
換させて常温にしメインパイプ５３に送り込む作用をす
る。この場合、精留塔４１内における最上部には、窒素
ガスとともに、沸点の低いＨｅ（−２６９℃），Ｈ
₂（−２５３℃）が溜りやすいため、取出パイプ５２
は、精留塔４１の最上部よりかなり下側に開口してお
り、Ｈｅ，Ｈ₂の混在しない純窒素ガスのみを製品窒素
ガスとして取り出すようになっている。５４は分縮器４
２内の気化液体空気を第２および第１の主熱交換器４０
ｂ，４０ａに送り込んだのちにパイプ８に供給する放出
パイプであり、５４ａはその保圧弁である。

【００３０】５５はバックアツプ系ラインであり、空気
圧縮系ラインが故障したときに液体窒素貯槽４５内の液
体窒素を蒸発器５６により蒸発させてメインパイプ５３
に送り込み、窒素ガスの供給がとだえることのないよう
にする。５７は不純物分析計であり、メインパイプ５３
に送り出される製品窒素ガスの純度を分析し、純度の低
いときは、弁５８，５９を作動させて製品窒素ガスを矢
印Ｆのように外部に逃気する作用をする。６０は真空保
冷函（一点鎖線で示す）であり、その内部に精留塔４１
および第１，第２の主熱交換器４０ａ，４０ｂを収容す
ることにより、精留効率の向上を図っている。

【００３１】上記構成において、つぎのようにして製品
窒素ガスの製造を行う。すなわち、上記の前処理装置に
より精製された原料空気を、精留塔４１からパイプ５２
を経て送り込まれる製品窒素ガス等によって冷やされて
いる第１，第２の主熱交換器４０ａ，４０ｂに送り込ん
で超低温に冷却し、その状態で精留塔４１の下部内に投
入する。ついで、この投入原料空気を、液体窒素貯槽４
５から導入路パイプ４６を経由して精留塔４１内に送り
込まれた液体窒素および第２の還流液パイプ４８から流
下する液体窒素と接触させて冷却し、一部を液化して精
留塔４１の底部に液体空気４４として溜める。この過程
において、窒素と酸素の沸点の差（酸素の沸点−１８３
℃，窒素の沸点−１９６℃）により、原料空気中の高沸
点成分である酸素が液化し、窒素が気体のまま残る。つ
いで、この気体のまま残った窒素を取出パイプ５２から
取り出して第２および第１の主熱交換器４０ｂ，４０ａ
に送り込み、常温近くまで昇温させメインパイプ５３か
ら製品窒素ガスとして送り出す。この場合、精留塔４１
内は、圧縮機２，４の圧縮力および液体窒素の蒸気圧に
より高圧になっているため、取出パイプ５２から取り出
される製品窒素ガスの圧力も高い。他方、精留塔４１の
下部に溜った液体空気４４については、これを分縮器４
２内に送り込み凝縮器４２ａを冷却させる。この冷却に
より、精留塔４１の上部から凝縮器４２ａに送入された
窒素ガスが液化して精留塔４１用の還流液となり、第２
の還流液パイプ４８を経て精留塔４１に戻る。そして、
凝縮器４２ａを冷却し終えた液体空気４４は気化し、放
出パイプ５４により第２および第１の主熱交換器４０
ｂ，４０ａに送られ両主熱交換器４０ｂ，４０ａを冷や
したのちパイプ８に供給される。なお、液体窒素貯槽４
５から導入路パイプ４６を経由して精留塔４１内に送り
込まれた液体窒素は、原料空気液化用の寒冷源として作
用し、それ自身は気化して取出パイプ５２から製品窒素
ガスの一部として取り出される。

【００３２】このように、上記実施の形態では、従来例
における冷凍機を省略することができる。また、第１吸
着ユニットＣを水分精製用（粗精製）とし、第２吸着ユ
ニットＥを水分精製用（精密精製）とＣＯ₂精製用とし
ているため、第１吸着ユニットＣの両吸着塔１５，１６
および第２吸着ユニットＥの両吸着塔２５，２６の吸着
剤の充填量を低減することができる。しかも、第１吸着
塔１５がＣＯ₂の濃縮の役割を果たすため、第２吸着塔
１６の吸着容量が大きくなり、第２吸着塔１６の充填量
を低減することができる。しかも、第１および第２の吸
着ユニットＣ，Ｅに分離したことにより、第２吸着ユニ
ットＥで再生に使用した再生ガスを第１吸着ユニットＣ
の再生に使用することができる。さらに、両吸着ユニッ
トＣ，Ｅの工程を１時間ずらすことにより、第２吸着ユ
ニットＥの再生に利用した熱を第１吸着ユニットＣの再
生にほとんど回収することができ、省エネルギーを実現
することができる。

【００３３】また、上記実施の形態では、精留塔４１の
上部に凝縮器４２ａ内蔵型の分縮器４２を設け、凝縮器
４２ａ内へ精留塔４１内の窒素ガスの一部を常時案内し
て液化するため、凝縮器４２ａ内へ液化窒素が所定量溜
まったのちはそれ以降生成する液化窒素が還流液として
常時精留塔４１内に戻るようになる。したがって、凝縮
器４２ａからの還流液の流下供給の断続に起因する製品
純度のばらつきを生じず、常時安定した純度の製品窒素
ガスを供給することができる。しかも、この実施の形態
では、製品窒素ガスの需要量に変動が生じても、液面計
５１がバルブ４６ａの開度等を制御し、精留塔４１に対
する液体窒素の供給量を制御することにより分縮器４２
内の液体空気４４の液面を一定に制御するため、需要量
の変動に迅速に対応できる。

【００３４】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、精留塔４１内
に第２の凝縮器６１を設けている。すなわち、上記精留
塔４１内に第２の凝縮器６１を設け、ここに、導入路パ
イプ４６から液体窒素貯槽４５の液体窒素を寒冷源とし
て供給し、精留塔４１内を上昇する原料空気を冷却し酸
素等の高沸点分を液化して精留塔４１の底部に溜め、沸
点の低い窒素ガスを精留塔４１の上部に溜めるようにし
ている。そして、第２の凝縮器６１内において寒冷とし
ての作用を終えて気化した気化液体窒素を放出路パイプ
６２に入れ、第２および第１の主熱交換器４０ｂ，４０
ａを経由させて熱交換させたのち系外に放出するように
している。それ以外の部分は上記実施の形態と同様であ
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、上記実施の形態と同様の作用・効果を奏す
る。

【００３５】なお、上記両実施の形態では、再生工程に
おいて、再生ガスとして、精留塔４１で発生した排ガス
を用いているが、第２吸着ユニットＥの両吸着塔２５，
２６の塔出口の精製ガスを用いてもよい。また、上記両
実施の形態では、再生ガスを排熱回収器５に導入してい
るが、この排熱回収工程は省エネルギーのための工程で
あり、必要不可欠なものではない。また、上記両実施の
形態では、切替時間を１時間に設定しているが、１時間
に限定するものではない。

【００３６】

【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、第２の吸着塔の前段に設けた第１の熱交換器，
凝縮水分離器および第１の吸着塔により、原料空気中の
水分を除去することができ、従来例の冷凍機を削除する
ことができる。

【００３７】また、本発明において、第１の吸着塔およ
び第２の吸着塔をそれぞれ２塔式とし、精製工程におい
て、第１の吸着塔では主に原料空気中の水分を吸着除湿
し、第２の吸着塔では原料空気中の水分をさらに吸着除
去するとともに、炭酸ガスを吸着除去する場合には、つ
ぎのような利点がある。すなわち、通常の２塔式を直列
にすると、再生ガス量不足のためにシステムとして成立
しないのに対し、本発明では、そのシステムを成立させ
ることができるという利点がある。より詳しく説明する
と、本発明では、第１の吸着塔を水分精製用（粗精製
用）として用い、第２の吸着塔を水分精製用（精密精製
用）と炭酸ガス精製用として用い、また、第２の吸着塔
に原料空気を導入する前に、第１の吸着塔の水分吸着時
に発生する吸着熱を第２の熱交換器により除去するよう
にしている。したがって、第２の吸着塔の運転温度が低
下し、吸着剤の炭酸ガス吸着容量が大きくなり、第２の
吸着塔の充填量が低減する。しかも、第１の吸着塔を水
分精製用（粗精製用）とすることにより、吸着剤量に余
裕が不要となり、第１の吸着塔の充填量が低減する。ま
た、第１の吸着塔と第２の吸着塔とに分離することによ
り、第２の吸着塔で再生に使用した、多量の炭酸ガスお
よび少量の水分を含む再生ガスを、再度第１の吸着塔の
再生に使用することができ、必要再生ガス量が半減す
る。また、第１の吸着塔において、吸着剤として合成ゼ
オライトを使用した場合には、運転の初期段階でほぼ全
量の炭酸ガスを吸着し、また、それ以降（中期，後期）
で炭酸ガスを通常の濃度の１．５倍以上の濃度で放出す
る。したがって、第２の吸着塔にとっては、高濃度の炭
酸ガスを吸着することとなり、その場合の吸着剤の吸着
容量は増加する。これにより、第２の吸着塔の吸着剤の
充填量を低減することができる。

【００３８】また、本発明において、第１の吸着塔に用
いる吸着剤が水分容量の大きい合成ゼオライトであり、
第２の吸着塔に用いる吸着剤が炭酸ガスの吸着容量の大
きい合成ゼオライトである場合には、第１の吸着塔を水
分精製用として用い、第２の吸着塔を水分精製用と炭酸
ガス精製用として用いるのに、好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の空気分離装置の前処理装置のフローシ
ートを示す図である。

【図２】上記フローシートの要部を示す図である。

【図３】上記フローシートの要部を示す図である。

【図４】上記フローシートの要部を示す図である。

【図５】精製工程および再生工程の説明図である。

【図６】上記前処理装置により精製された原料空気のフ
ローシートを示す図である。

【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。

【符号の説明】

２，４圧縮機１０第１原空冷却器１１ミストセパレーター１２第２原空冷却器１５第１吸着塔１６第２吸着塔２５第１吸着塔２６第２吸着塔Ｃ第１吸着ユニットＥ第２吸着ユニット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者裏久保嘉昭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８−291967（ＪＰ，Ａ) 特開平５−172458（ＪＰ，Ａ) 特開平９−38446（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25J 1/00 - 5/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】外部より取り入れた原料空気を圧縮する
圧縮機と、この圧縮機による圧縮熱によって昇温した原
料空気を水と熱交換させて冷却する第１の熱交換器と、
この第１の熱交換器による冷却によって発生した凝縮水
を分離する凝縮水分離器と、この凝縮水分離器を経た原
料空気中の水分をさらに吸着して除湿する第１の吸着塔
と、この第１の吸着塔による吸着除湿によって昇温した
原料空気を水と熱交換させて冷却する第２の熱交換器
と、この第２の熱交換器を経由した原料空気中の炭酸ガ
スと水とを吸着して除去する第２の吸着塔と、この第２
の吸着塔を経た原料空気を超低温に冷却する主熱交換手
段と、この主熱交換手段により超低温に冷却された原料
空気の一部を液化して底部に溜め窒素のみを気体として
上部側から取り出す精留塔と、この精留塔から気体とし
て取り出される窒素を上記主熱交換手段を経由させその
内部を通る原料空気と熱交換させることにより温度上昇
させ取り出す窒素ガス取出路とを備え、上記第１および
第２の吸着塔をそれぞれ別々に設け、第２の吸着塔を経
た再生ガスを第１の吸着塔に供給するように構成したこ
とを特徴とする空気分離装置。
【請求項２】第１の吸着塔および第２の吸着塔をそれ
ぞれ２塔式とし、精製工程において、第１の吸着塔では
主に原料空気中の水分を吸着除湿し、第２の吸着塔では
原料空気中の水分をさらに吸着除去するとともに、炭酸
ガスを吸着除去する請求項１記載の空気分離装置。
【請求項３】第１の吸着塔に用いる吸着剤が水分吸着
容量の大きい合成ゼオライトであり、第２の吸着塔に用
いる吸着剤が炭酸ガスの吸着容量の大きい合成ゼオライ
トである請求項１または２記載の空気分離装置。