JP3609009B2 - 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、寒冷源として冷凍機を用いる空気分離装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、深冷空気分離装置は、寒冷により空気を液化して各成分（Ｎ２ ，Ｏ２ ，Ａｒ等）に精留分離したのち、所望の成分を気体状態または液体状態で取り出すようにしており、寒冷源として、膨張タービンや液体窒素等の冷熱エネルギーを利用している。このような深冷空気分離装置として、図９に示すような、膨脹タービンを利用した高純度窒素ガス製造装置がある。図において、２１は原料空気（圧縮空気）を熱交換器２２に供給する圧縮空気供給パイプである。この圧縮空気供給パイプ２１を通る圧縮空気は、大気中の空気を空気圧縮機により取り込んで圧縮したのち、ドレン分離器，フロン冷却器および吸着筒を経由した圧縮空気である（図面では、これら空気圧縮機，ドレン分離器，フロン冷却器および吸着筒を省略している）。２２は熱交換器であり、この内部に、吸着筒内部のモレキュラーシーブにより水分（Ｈ２ Ｏ）および炭酸ガス（ＣＯ２ ）が吸着除去された圧縮空気が送り込まれ、超低温に冷却される。
【０００３】
２３は精留塔であり、熱交換器２２により超低温に冷却され圧縮空気導入パイプ２４を経て送り込まれる圧縮空気をさらに冷却し、その一部を液化し液体空気として底部に溜め、Ｎ２ を気体状態で上部に溜めるようになっている。２６は精留塔２３の上方に配設された凝縮器２７内蔵のコンデンサー（分縮器）である。この凝縮器２７には、精留塔２３の上部に溜るＮ２ ガスの一部が第１還流液パイプ２８ａを介して送入される。このコンデンサー２６内は、精留塔２３内よりも減圧状態になっており、精留塔２３の底部の貯留液体空気（Ｎ２ ；５０〜７０％，Ｏ２ ；３０〜５０％）２５が膨脹弁２９ａ付き送給パイプ２９を経て送り込まれ、気化して内部温度を液体窒素（ＬＮ２ ）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、精留塔２３から第１還流液パイプ２８ａを介して凝縮器２７内に送入されたＮ２ ガスが液化する。精留塔２３の上部には、凝縮器２７で生成したＬＮ２ が第２還流液パイプ２８ｂを流下して還流供給され、これがＬＮ２ 溜め（図示せず）を経て精留塔２３内を下方に流下し、精留塔２３の底部から上昇する圧縮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。この過程で圧縮空気中の高沸点成分（Ｏ２ ）は液化されて精留塔２３の底部に溜り、低沸点成分のＮ２ ガスが精留塔２３の上部に溜る。
【０００４】
３０は精留塔２３の上部に溜まるＮ２ ガスを製品Ｎ２ ガスとして取り出すＮ２ ガス取出パイプであり、低温のＮ２ ガスを熱交換器２２内に案内し、そこに送り込まれる圧縮空気と熱交換させて常温にしメインパイプ３１に送り込む作用をする。３１ａは一定量のＮ２ ガスを所定の圧力で需要側に供給する製品Ｎ２ ガス供給弁である。３２は放出パイプであり、コンデンサー２６内の気化液体空気（排Ｎ２ ガス）の全部または一部を分岐パイプ３４を経て膨脹タービン３３の駆動部に送り込み他部を外部に放出する作用をする。３２ａは分岐パイプ３４に供給する排Ｎ２ ガス量をコントロールすることにより寒冷量の調節を行う流量調節弁である。３３は膨脹タービンであり、分岐パイプ３４から供給された排Ｎ２ ガスを膨脹させて低温排Ｎ２ ガスを得たのち、戻しパイプ３５を経て放出パイプ３２の流量調節弁３２ａ下流側部分に合流させる。これにより、分岐パイプ３４を通る排Ｎ２ ガス、放出パイプ３２を通る低温排Ｎ２ ガス，排Ｎ２ ガスおよびＮ２ ガス取出パイプ３０から送り込まれる製品Ｎ２ ガスにより、熱交換器２２内へ送り込まれる圧縮空気を低温に冷却するようになっている。
【０００５】
３６はＬＮ２ 貯蔵タンク（内部は精留塔２３の圧力より１ｋｇ／ｃｍ２ Ｇ程度低い圧力に設定されている）であり、精留塔２３の上部のＬＮ２ 溜めから導入弁３７ａ付き導入パイプ３７を経てＬＮ２ が圧力差により供給されるようになっている。３８はＬＮ２ 貯蔵タンク３６の下部から延びる自己加圧蒸発器３８ａ付きＬＮ２ 取出パイプである。このＬＮ２ 取出パイプ３８を設けているため、バックアップ作動（メインパイプ３１からの製品Ｎ２ ガスの供給量低下，供給不能等の場合に、ＬＮ２ 貯蔵タンク３６のＬＮ２ を後述のバックアップ系パイプ４２を通して気化し需要側に供給する）後に、ＬＮ２ 貯蔵タンク３６の上部圧力が降下して所定圧力を下回っても、開閉弁３９が開き、ＬＮ２ 貯蔵タンク３６内のＬＮ２ が自己加圧蒸発器３８ａに送り込まれて蒸発し体積膨張したのち、上部パイプ４０を経てＬＮ２ 貯蔵タンク３６の上部空間に導入される。これにより、ＬＮ２ 貯蔵タンク３６の上部圧力が上記所定圧力に戻り、開閉弁３９は閉弁する。４１は上部パイプ４０から延びる開閉弁４１ａ付き排出パイプであり、ＬＮ２ 貯蔵タンク３６の上部圧力が上記所定圧力を上回ると、開閉弁４１ａが開き、ＬＮ２ 貯蔵タンク３６内のＬＮ２ が外部に放出されて所定圧力に戻るようになっている。４２はＬＮ２ 貯蔵タンク３６からメインパイプ３１に延びるバックアップ系パイプであり、空気圧縮系ラインが故障等して、バックアップ系パイプ４２内の圧力が所定圧力（製品Ｎ２ ガス圧力〔ＬＮ２ 貯蔵タンク３６の上部圧力と同じ〕より０．５ｋｇ／ｃｍ２ Ｇ程度低い圧力）に降下すると、開閉弁４３が開き、ＬＮ２ 貯蔵タンク３６内のＬＮ２ がバックアップ用蒸発器４２ａに送り込まれて蒸発し、製品Ｎ２ ガスとしてメインパイプ３１に導入される。これにより、Ｎ２ ガスの供給が途絶えないようにしている。
【０００６】
この装置は、つぎのようにして製品窒素ガスを製造する。すなわち、空気圧縮機により空気を圧縮し、ドレン分離器により圧縮された空気中のＨ２ Ｏを除去してフロン冷却器により冷却し、その状態で吸着筒に送り込み、空気中のＨ２ ＯおよびＣＯ２ を吸着除去する。ついで、Ｈ２ Ｏ，ＣＯ２ が吸着除去された圧縮空気を、精留塔２３からＮ２ ガス取出パイプ３０を経て送り込まれる製品Ｎ２ ガス，膨脹タービン３３から送り込まれる低温排ガス等の冷媒によって冷やされている熱交換器２２に送り込んで超低温に冷却し、その状態で精留塔２３の下部内に投入する。つぎに、この投入圧縮空気をＬＮ２ 溜めからの溢流ＬＮ２ と接触させて冷却し、一部を液化して精留塔２３の底部に液体空気２５として溜める。この過程において、Ｎ２ とＯ２ の沸点の差により、圧縮空気中の高沸点成分であるＯ２ が液化し、Ｎ２ が気体のまま残る。つぎに、この気体のまま残ったＮ２ をＮ２ ガス取出パイプ３０から取り出して熱交換器２２に送り込み、常温近くまで昇温させメインパイプ３１から製品Ｎ２ ガスとして送り出す。一方、精留塔２３の下部に溜った液体空気２５については、これをコンデンサー２６内に送り込み凝縮器２７を冷却させる。この冷却により、精留塔２３の上部から凝縮器２７に送入されたＮ２ ガスが液化して精留塔２３用の還流液となり、第２還流液パイプ２８ｂを経て精留塔２３に戻る。そして凝縮器２７を冷却し終えた液体空気２５は気化し、放出パイプ３２により熱交換器２２に送られてこの熱交換器２２を冷やしたのち、空気中に放出される。他方、コンデンサー２６から取り出した排Ｎ２ ガスの全部もしくは一部は熱交換器２２を通ったのち膨脹タービン３３の駆動部に送り込まれ、これを駆動し冷媒を循環させ、再度熱交換器２２に送り込まれて、熱交換器２２内へ送り込まれる圧縮空気を冷却するようになっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記装置に用いる膨張タービン３３は、１分間に数万回と高速回転させるため、負荷変動に対する追従運転が困難であり、かつ故障が生じやすいという欠点等がある。そこで、比較的小型の空気分離装置では、膨張タービン３３の代替として、外部からＬＮ２ を供給するＬＮ２ 収容タンクを用い、このＬＮ２ 収容タンク内のＬＮ２ を直接に精留塔２３に供給している場合もある。ところが、このものでは、ＬＮ２ を消費するのみであり、ＬＮ２ の製造は不可能である。このため、ＬＮ２ の補給が必要となり、ＬＮ２ 供給源の確保およびＬＮ２ の輸送等のコストアップとなる。一方、膨脹タービン３３を用いた空気分離装置では、ＬＮ２ の製造は、ＬＮ２ の還流液の一部を精留塔２３のＬＮ２ 溜めからＬＮ２ 貯蔵タンク３６に取り出すことにより行われているため、ＬＮ２ 製造量と還流液量のバランスに変動が生じると、製品Ｎ２ ガスの純度に悪影響を及ぼす等運転が難しくなる。また、精留塔２３からＬＮ２ をＬＮ２ 貯蔵タンク３６に減圧供給した場合にフラッシュロスが発生し、ＬＮ２ の収率が低下する等の欠点がある。しかも、ＬＮ２ 貯蔵タンク３６の上部圧力は精留塔２３の圧力よりも少なくとも１ｋｇ／ｃｍ２ Ｇ程度低圧にする必要があり、Ｎ２ ガスのバックアップ時にはＬＮ２ 貯蔵タンク３６の上部圧力をＮ２ 供給圧力にまで上昇させなければならず、この上昇時間はバックアップが停止する。これを防ぐため、Ｎ２ 供給圧力を精留塔２３の圧力より１ｋｇ／ｃｍ２ Ｇ程度低い状態にしているが、精留塔２３の状態は低圧運転の方が効率がよく、効率の悪い運転をしていることになる。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、寒冷源として膨脹タービンを用いることなく、ＬＮ２ 等の製造が可能で、フラッシュの発生がなく、効率の良い運転を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空気を圧縮する空気圧縮手段と、この空気圧縮手段によって圧縮された圧縮空気中の不純物を除去する除去手段と、この除去手段を経た圧縮空気を冷却する熱交換器と、この熱交換器を経由し低温に冷却された圧縮空気を各成分の沸点差を利用して分離し所望の成分を気体状態で取り出す精留塔とを備えた空気分離装置であって、上記熱交換器を経由し低温に冷却された圧縮空気を精留塔の下部に供給し、この精留塔の下部の、精留塔の底部に溜まる液体空気より上方位置に、精留塔内の空気液化用の寒冷源として塔内冷却用冷凍機を設けたという構成をとる。
【００１０】
すなわち、本発明では、精留塔の空気液化用の寒冷源として塔内冷却用冷凍機を用いている。したがって、従来例のように、膨脹タービンを用いた場合の欠点（すなわち、膨脹タービンは１分間に数万回と高速回転するため、負荷変動に対する追従運転が困難であり、かつ故障が生じやすいという欠点）がなくなる。また、本発明において、上記精留塔から気体状態で取り出した成分（Ｎ２ ，Ｏ２ ，Ａｒ等）の一部を導入する貯蔵手段と、上記貯蔵手段に導入した気体状態の成分を液化して上記貯蔵手段内に溜めるタンク内冷却用冷凍機とを設けた場合には、液化成分（ＬＮ２ ，ＬＯ２ ，ＬＡｒ等）の製造を行うこともできる。しかも、本発明では、精留塔にて上記の成分を気体状態で製造し、この気体状態の成分の一部を貯蔵手段に導入したのちタンク内冷却用冷凍機により液化し貯蔵しているため、従来例では生じたフラッシュロスが生じなくなり、収率が向上するうえ、上記の成分の製造量と還流液量のバランスに変動が生じなくなり、上記の成分の純度が劣化しない。さらに、精留塔の圧力（Ｎ２ 等の発生圧力）と貯蔵手段内の圧力は同圧でよく、バックアップ時に貯蔵手段内の圧力を上昇させる必要がなくなる。このため、精留塔を低圧運転することができ、効率の良い運転が行える。また、貯蔵手段に溜めた液化成分を、装置の定期検査等で加温状態となった機器のクールダウンや装置停止等のガスバックアップ供給に利用することもできる。
【００１１】
【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。
【００１２】
図１は本発明の空気分離装置の一実施の形態を示す構成図である。この実施の形態では、図９の空気分離装置において用いた膨脹タービン３３の代替として、精留塔２に空気液化用のパルスチューブ冷凍機３を設けるようにしている。また、ＬＮ２ 貯蔵タンク４にＮ２ ガス液化用のパルスチューブ冷凍機６を設け、精留塔２で製造したＮ２ ガスをＬＮ２ 貯蔵タンク４に導入したのち、パルスチューブ冷凍機６でＬＮ２ にして貯蔵するようにしている。それ以外の部分は図９に示す空気分離装置と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。図１において、１は熱交換器である。この熱交換器１は、図９の熱交換器２２と同様構造の熱交換器であり、同様の作用をする。ただし、この実施の形態では、膨脹タービン３３を用いていないため、熱交換器１内を図９の分岐パイプ３４が通っていない。これにより、熱交換器１内へ送り込まれる圧縮空気は、放出パイプ３２を通る排Ｎ２ ガスおよびＮ２ ガス取出パイプ３０から送り込まれる製品Ｎ２ ガスにより冷却されるようになっている。
【００１３】
２は精留塔である。この精留塔２は、図９の精留塔２３と同様構造の精留塔であり、同様の作用をする。ただし、この実施の形態では、精留塔２の下部周壁から筒体２ａが上向きに突設されており、この筒体２ａの上端開口を蓋する蓋体に空気液化用のパルスチューブ冷凍機３（Ｈｅを冷媒として利用している）が取り付けられている。このパルスチューブ冷凍機３は精留塔２内に寒冷を発生させるものであり、この寒冷により、圧縮空気導入パイプ２４を経て精留塔２に送り込まれる圧縮空気を冷却し、その一部を液化し液体空気として底部に溜め、Ｎ２ を気体状態で上部に溜めるようになっている。５は第１還流液パイプ２８ａから分岐する導出パイプであり、Ｎ２ ガス取出パイプ３０を通るＮ２ ガスの一部を第１還流液パイプ２８ａを介して取り出してＬＮ２ 貯蔵タンク４に導入する作用をする。５ａはＬＮ２ 貯蔵タンク５への最大供給量を制限する導出弁であり、精留塔２のＮ２ の濃度が劣化した場合およびＬＮ２ 貯蔵タンク４のＬＮ２ の液面が上限に達した場合に、閉じるようになっている。６はＬＮ２ 貯蔵タンク４の頂部に設けたＮ２ ガス液化用のパルスチューブ冷凍機（Ｈｅを冷媒として利用している）であり、導出パイプ５を経て送り込まれる（液化温度近くの）Ｎ２ ガスを液化してＬＮ２ 貯蔵タンク４内に溜めるようになっている。７は供給弁７ａ付きＬＮ２ 供給パイプであり、寒冷エネルギー不足時等に供給弁７ａを開いてＬＮ２ 貯蔵タンク４内のＬＮ２ をコンデンサー２６に供給する作用をする。８は断熱保冷箱であり、内部に熱交換器１，精留塔２，コンデンサー２６およびＬＮ２ 貯蔵タンク４が収容されている。この断熱保冷箱８の内部は真空状態に保持されており、かつパーライト（図示せず）が充填されている。この実施の形態では、精留塔２の圧力，ＬＮ２ 貯蔵タンク４の上部圧力および製品Ｎ２ ガス圧力が同一に設定されている。
【００１４】
上記装置において、パルスチューブ冷凍機３の冷凍能力は、熱交換器１の温端温度差によるエンタルピーのロス分とヒートリークロス分でよく、また、パルスチューブ冷凍機６の冷凍能力はＮ２ の潜熱分とヒートリークロス分の冷凍能力でよく、両冷凍機３，６ともに、例えばＮ２ ガス２００Ｎｍ３ ／ｈを発生する空気分離装置であれば、５００Ｗ程度の冷凍能力で運転可能となる。この場合に、ＬＮ２ 製造量は約７Ｎｍ３ ／ｈとなる。また、通常運転時には、パルスチューブ冷凍機３はコンデンサー２６の液体空気の液面を制御しながら運転され、パルスチューブ冷凍機６は貯蔵タンク４の上部圧力を制御しながら運転される。また、導出パイプ５によりＬＮ２ 貯蔵タンク４に供給される最大供給量はパルスチューブ冷凍機６の冷凍能力に左右される。
【００１５】
この装置は、つぎのようにして製品窒素ガスを製造する。すなわち、圧縮機で圧縮した空気を吸着塔に送り、この吸着塔で空気中の不純物（Ｈ２ Ｏ，ＣＯ２ ）を除去し、ついで熱交換器１で液化温度まで冷却したのち、精留塔２下部に供給する。精留塔２内では、供給された圧縮空気が上昇ガスになるとともに、圧縮空気の少量（約１〜２％）がパルスチューブ冷凍機３の寒冷により液化し、精留塔２底部の液体空気２５と混合する。一方、精留塔２の底部に溜まる液体空気２５を膨張弁２９ａで減圧し、コンデンサー２６に供給する。このコンデンサー２６では、凝縮器２７により精留塔２上部のＮ２ ガスの一部を液化するとともに、液体空気をガス化して排Ｎ２ ガスとして放出パイプ３２に放出し、熱交換器１で冷熱を回収したのち、装置外へ排出する。凝縮器２７で液化したＬＮ２ を精留塔２上部から供給し還流液として精留塔２内を降下させる。一方、精留塔２上部のＮ２ ガスの一部をＮ２ ガス取出パイプ３０，第１還流液パイプ２８ａおよび導出パイプ５を通してＬＮ２ 貯蔵タンク４の上部へ供給し、パルスチューブ冷凍機６で液化してＬＮ２ 貯蔵タンク４内に溜め、残りのＮ２ ガスを熱交換器１で冷熱を回収したのち、メインパイプ３１に供給する。
【００１６】
この実施の形態では、精留塔２内の寒冷源としてパルスチューブ冷凍機３を用いているため、従来例のように膨脹タービン３３を用いる必要がなく、負荷変動に対する追従運転が困難であるという欠点や、故障が生じやすいという欠点がなくなる。しかも、精留塔２で製造したＮ2 ガスをＬＮ2 貯蔵タンク４に溜めている（すなわち、ＬＮ2 の製造が行える）ため、ＬＮ2 貯蔵タンク４へのＬＮ2 の補給が不必要となり、ＬＮ2 供給源の確保およびＬＮ2 の輸送等に費用がかからない。また、ＬＮ2 貯蔵タンク４のＬＮ2 を装置の定期検査等により加温状態となった機器のクールダウンや装置停止時のＮ2 ガスのバックアップ供給にも利用することができる。さらに、ＬＮ2 貯蔵タンク４に精留塔２から取り出したＮ2 ガスを導入しているため、ＬＮ2 製造量と還流液量のバランスに変動が生じることがなく、製品Ｎ2 ガスの純度に悪影響を及ぼこともなく、装置の運転が容易になる。また、フラッシュロスが発生せず、ＬＮ2 の収率が低下しない。さらに、ＬＮ2 貯蔵タンク４内の圧力を高くすることができ、従来例のように、Ｎ2 ガスのバックアップ時にＮ2 供給圧力を保つため貯蔵タンク４の上部圧力を上昇させる必要がない。このため、精留塔２を低圧運転にすることができ、効率の良い運転を行うことができる。さらに、パルスチューブ冷凍機３を精留塔２の下部（精留塔２内の最も温度の高い部分）に取り付けているため、精留効率をアップさせることができる。また、通常運転時には、コンデンサー２６の液体空気の液面が所定液面より高くなると、パルスチューブ冷凍機３の冷凍能力が低下し、逆に、上記液面が所定液面より低くなると、冷凍能力が上昇するように液面をコントロールしている。一方、貯蔵タンク４の上部圧力が所定圧力より高くなると、パルスチューブ冷凍機６の冷凍能力が上昇し、逆に、上記上部圧力が所定圧力より低くなると、冷凍能力が低下するようにしている。
【００１７】
上記両パルスチューブ冷凍機３，６は、図２に示すように、円筒状のパルスチューブ１０と、高圧Ｈｅガス溜め（高圧バッファタンク）１１と、低圧Ｈｅガス溜め（低圧バッファタンク）１２とを備えており、上記パルスチューブ１０内でＨｅガスを膨張させることにより、寒冷を発生させるようにしている。このようなパルスチューブ１０は、その冷端（低温側・ガスの入口側）１０ａが精留塔２の下部に配設されているとともに、その熱端（高温側）１０ｂが精留塔２の外部に配設され放熱するようになっている。１３ａ，１３ｂは上記パルスチューブ１０の冷端１０ａおよび熱端１０ｂに配設される円盤状の層流化部材である。１４ａ，１４ｂは上記パルスチューブ１０の冷端１０ａおよび熱端１０ｂに取り付けられる蓋体である。１５は上記冷端側蓋体１４ａの中央貫通穴１４ｃに内嵌状に取り付けられた冷端側本管であり、給気バルブ１６ａを設けた給気管１６と排気バルブ１７ａを設けた排気管１７に分岐している。そして、上記給気管１６の先端が高圧Ｈｅガス源（図示せず）に連通し、上記排気管１７の先端が低圧Ｈｅガス源（図示せず）に連通している。１８は上記熱端側蓋体１４ｂの中央貫通穴１４ｄに内嵌状に取り付けられた熱端側本管であり、第１バルブ１９ａを設けた第１分岐管１９と第２バルブ２０ａを設けた第２分岐管２０に分岐している。そして、上記第１分岐管１９の先端が高圧Ｈｅガス溜め１１に連通し、上記第２分岐管２０が低圧Ｈｅガス溜め１２に連通している。
【００１８】
上記両パルスチューブ冷凍機３，６の作動は、つぎのサイクルを繰り返すことにより行う。まず、図３に示すように、給気バルブ１６ａ，排気バルブ１７ａおよび第２バルブ２０ａを閉弁する。この状態で、パルスチューブ１０内は低圧Ｈｅガス源の内圧と同一圧力となっている。ついで、第１バルブ１９ａを開弁すると、高圧Ｈｅガス溜め１１内の高圧Ｈｅガスがパルスチューブ１０の熱端１０ｂに流れ込み、パルスチューブ１０内のガス圧は高圧Ｈｅガス溜め１１の圧力近くまで上昇する。この過程Ｐのパルスチューブ１０内の気体分布が図３に示されている。図３において、Ｄは高圧Ｈｅガス溜め１１から導入された高圧Ｈｅガスで、Ｂ，Ｃは低圧から高圧になったパルスチューブ１０内のＨｅガスである。
【００１９】
つぎに、図４に示すように、第１バルブ１９ａを開弁した状態で給気バルブ１６ａのみを開弁する（その他のバルブ１７ａ，２０ａは元のまま）と、高圧Ｈｅガス源から高圧Ｈｅガスが供給されてパルスチューブ１０の冷端１０ａに流入する。このとき、高圧Ｈｅガス源の給気圧力が高圧Ｈｅガス溜め１１の圧力よりやや高く設定されており、上記過程Ｐでパルスチューブ１０の熱端１０ｂに流れ込んだ高圧Ｈｅガス溜め１１の高圧ガスＤ（図３参照）はただちに高圧Ｈｅガス溜め１１内に戻される。この過程Ｑは基本的には等圧給気過程であり、パルスチューブ１０内の気体分布が図４に示されている。図４において、Ａは高圧Ｈｅガス源からパルスチューブ１０内に導入された高圧Ｈｅガスである。
【００２０】
つぎに、図５に示すように、第１バルブ１９ａと給気バルブ１６ａを閉弁したのち（排気バルブ１７ａは閉弁したたまま）、第２バルブ２０ａを開弁すると、パルスチューブ１０の熱端１０ｂのガスＣ（図４参照）が低圧Ｈｅガス溜め１２に流入する（戻る）ため、パルスチューブ１０内の圧力が低圧ガス溜め１２の圧力まで低下する。すなわち、上記過程Ｑにおいてパルスチューブ１０の冷端１０ａに入った高圧ＨｅガスＡは、ＨｅガスＢとともに低圧Ｈｅガス溜め１２の圧力まで膨脹し、温度降下してパルスチューブ１０の冷端１０ａ側を冷却する。この過程Ｒのパルスチューブ１０内の気体分布が図５に示されている。
【００２１】
つぎに、図６に示すように、排気バルブ１７ａを開弁する（その他のバルブ１６ａ，１９ａ，２０ａは元のまま）と、上記過程Ｒにおいてパルスチューブ１０内で膨脹したＨｅガスＡが低圧Ｈｅガス源に排出され、低圧Ｈｅガス溜め１２の低圧Ｈｅガスがパルスチューブ１０内に流入する。
【００２２】
こうして１サイクルが終わり、ついで新たに上記過程Ｐが始まる。このように循環してワークするので、高圧Ｈｅガスは、不断に膨脹して低圧となる。気体のパルスチューブ１０内における熱伝導、混合と、流動によるロスとを考慮しない場合、高圧Ｈｅガス溜め１１内の圧力は高圧Ｈｅガス源の給気圧力に、また低圧Ｈｅガス溜め１２内の圧力は低圧Ｈｅガス源の内圧にそれぞれ等しい。そして、上記の１サイクルが終わると、結局、ＨｅガスＡが高圧Ｈｅガス源からパルスチューブ１０内に入り、このパルスチューブ１０内で断熱膨脹し寒冷を発生したのち、低圧Ｈｅガス源内に排出されたことになる。また、ＨｅガスＢは常にパルスチューブ１０内でガスピストンの役割を演じ、Ｃ，Ｄはそれぞれ各Ｈｅガス溜め１１，１２から出入りしているだけである。
【００２３】
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、図１の空気分離装置において、ＬＮ２ 貯蔵タンク４から延びるＬＮ２ 供給パイプ７を精留塔２の上部に接続し、これにより、ＬＮ２ 貯蔵タンク４内のＬＮ２ を精留塔２のＬＮ２ 溜めに導入するようにしている。それ以外の部分は図１に示す空気分離装置と同様であり、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、上記実施の形態の同様に作用し、同様の効果を奏する。
【００２４】
図８は本発明の空気分離装置のさらに他の実施の形態を示している。この実施の形態では、図１の空気分離装置において、ＬＮ２ 貯蔵タンク４に供給弁９ａ付き外部ＬＮ２ 供給パイプ９を取り付けている。それ以外の部分は図１に示す空気分離装置と同様であり、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、図１の実施の形態の同様に作用し、同様の効果を奏する。しかも、ＬＮ２ 貯蔵タンク４に外部ＬＮ２ 供給パイプ９を介して外部からＬＮ２ を供給することができるため、装置のスタートアップ前にＬＮ２ 貯蔵タンク４に外部からＬＮ２ を供給しておき、スタートアップ時にＬＮ２ 貯蔵タンク４からＬＮ２ をコンデンサー２６に供給することにより、スタートアップ時のクールダウンの時間短縮をすることができるようになる。
【００２５】
なお、上記各実施の形態では、冷凍機として、パルスチューブ冷凍機３，６を用いているが、これに限定するものではなく、ＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機，スターリング冷凍機等を用いることができる。これら冷凍機の冷媒としては、Ｈｅが好適に用いられる。また、上記各実施の形態では、Ｎ２ ガスを製造する空気分離装置が示されているが、これに限定するものではなく、Ｎ２ 以外にＯ２ やＡｒを製造するようにしてもよい。
【００２６】
また、各実施の形態において、パルスチューブ冷凍機３が故障した場合や、精留塔２のＮ２ 発生量が増大した（原料空気が増大した）場合に、パルスチューブ冷凍機３の補助として、ＬＮ２ 貯蔵タンク４のＬＮ２ を精留塔２もしくはコンデンサー２６に供給し、寒冷源として用いることができる。また、図８の実施の形態において、ＬＮ２ 貯蔵タンク４から延びるＬＮ２ 供給パイプ７を精留塔２の上部に接続し、これにより、ＬＮ２ 貯蔵タンク４内のＬＮ２ を精留塔２のＬＮ２ 溜めに導入するようにしてもよい。また、上記パルスチューブ冷凍機３，６において、各バルブ１６ａ，１７ａ，１９ａ，２０ａのタイプとして電動バルブ、電磁バルブ、気動バルブまたは回転バルブ等が用いられる。
【００２７】
【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、精留塔の空気液化用の寒冷源として塔内冷却用冷凍機を用いている。したがって、従来例のように、膨脹タービンを用いた場合の欠点（すなわち、膨脹タービンは１分間に数万回と高速回転するため、負荷変動に対する追従運転が困難であり、かつ故障が生じやすいという欠点）がなくなる。また、本発明において、上記精留塔から気体状態で取り出した成分（Ｎ２ ，Ｏ２ ，Ａｒ等）の一部を導入する貯蔵手段と、上記貯蔵手段に導入した気体状態の成分を液化して上記貯蔵手段内に溜めるタンク内冷却用冷凍機とを設けた場合には、液化成分（ＬＮ２ ，ＬＯ２ ，ＬＡｒ等）の製造を行うこともできる。しかも、本発明では、精留塔にて上記の成分を気体状態で製造し、この気体状態の成分の一部を貯蔵手段に導入したのちタンク内冷却用冷凍機により液化し貯蔵しているため、従来例では生じたフラッシュロスが生じなくなり、収率が向上するうえ、上記の成分の製造量と還流液量のバランスに変動が生じなくなり、上記の成分の純度が劣化しない。さらに、精留塔の圧力（Ｎ２ 等の発生圧力）と貯蔵手段内の圧力は同圧でよく、バックアップ時に貯蔵手段内の圧力を上昇させる必要がなくなる。このため、精留塔を低圧運転することができ、効率の良い運転が行える。また、貯蔵手段に溜めた液体状態の成分を、装置の定期検査等で加温状態となった機器のクールダウンや装置停止等のガスバックアップ供給に利用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の空気分離装置の一実施の形態を示す構成図である。
【図２】パルスチューブ冷凍機の説明図である。
【図３】上記パルスチューブ冷凍機の作用を示す説明図である。
【図４】上記パルスチューブ冷凍機の作用を示す説明図である。
【図５】上記パルスチューブ冷凍機の作用を示す説明図である。
【図６】上記パルスチューブ冷凍機の作用を示す説明図である。
【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。
【図８】本発明の空気分離装置のさらに他の実施の形態を示す構成図である。
【図９】従来例を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 熱交換器
２ 精留塔
３，６ パルスチューブ冷凍機
４ ＬＮ２ 貯蔵タンク
【発明の属する技術分野】
本発明は、寒冷源として冷凍機を用いる空気分離装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、深冷空気分離装置は、寒冷により空気を液化して各成分（Ｎ２ ，Ｏ２ ，Ａｒ等）に精留分離したのち、所望の成分を気体状態または液体状態で取り出すようにしており、寒冷源として、膨張タービンや液体窒素等の冷熱エネルギーを利用している。このような深冷空気分離装置として、図９に示すような、膨脹タービンを利用した高純度窒素ガス製造装置がある。図において、２１は原料空気（圧縮空気）を熱交換器２２に供給する圧縮空気供給パイプである。この圧縮空気供給パイプ２１を通る圧縮空気は、大気中の空気を空気圧縮機により取り込んで圧縮したのち、ドレン分離器，フロン冷却器および吸着筒を経由した圧縮空気である（図面では、これら空気圧縮機，ドレン分離器，フロン冷却器および吸着筒を省略している）。２２は熱交換器であり、この内部に、吸着筒内部のモレキュラーシーブにより水分（Ｈ２ Ｏ）および炭酸ガス（ＣＯ２ ）が吸着除去された圧縮空気が送り込まれ、超低温に冷却される。
【０００３】
２３は精留塔であり、熱交換器２２により超低温に冷却され圧縮空気導入パイプ２４を経て送り込まれる圧縮空気をさらに冷却し、その一部を液化し液体空気として底部に溜め、Ｎ２ を気体状態で上部に溜めるようになっている。２６は精留塔２３の上方に配設された凝縮器２７内蔵のコンデンサー（分縮器）である。この凝縮器２７には、精留塔２３の上部に溜るＮ２ ガスの一部が第１還流液パイプ２８ａを介して送入される。このコンデンサー２６内は、精留塔２３内よりも減圧状態になっており、精留塔２３の底部の貯留液体空気（Ｎ２ ；５０〜７０％，Ｏ２ ；３０〜５０％）２５が膨脹弁２９ａ付き送給パイプ２９を経て送り込まれ、気化して内部温度を液体窒素（ＬＮ２ ）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、精留塔２３から第１還流液パイプ２８ａを介して凝縮器２７内に送入されたＮ２ ガスが液化する。精留塔２３の上部には、凝縮器２７で生成したＬＮ２ が第２還流液パイプ２８ｂを流下して還流供給され、これがＬＮ２ 溜め（図示せず）を経て精留塔２３内を下方に流下し、精留塔２３の底部から上昇する圧縮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。この過程で圧縮空気中の高沸点成分（Ｏ２ ）は液化されて精留塔２３の底部に溜り、低沸点成分のＮ２ ガスが精留塔２３の上部に溜る。
【０００４】
３０は精留塔２３の上部に溜まるＮ２ ガスを製品Ｎ２ ガスとして取り出すＮ２ ガス取出パイプであり、低温のＮ２ ガスを熱交換器２２内に案内し、そこに送り込まれる圧縮空気と熱交換させて常温にしメインパイプ３１に送り込む作用をする。３１ａは一定量のＮ２ ガスを所定の圧力で需要側に供給する製品Ｎ２ ガス供給弁である。３２は放出パイプであり、コンデンサー２６内の気化液体空気（排Ｎ２ ガス）の全部または一部を分岐パイプ３４を経て膨脹タービン３３の駆動部に送り込み他部を外部に放出する作用をする。３２ａは分岐パイプ３４に供給する排Ｎ２ ガス量をコントロールすることにより寒冷量の調節を行う流量調節弁である。３３は膨脹タービンであり、分岐パイプ３４から供給された排Ｎ２ ガスを膨脹させて低温排Ｎ２ ガスを得たのち、戻しパイプ３５を経て放出パイプ３２の流量調節弁３２ａ下流側部分に合流させる。これにより、分岐パイプ３４を通る排Ｎ２ ガス、放出パイプ３２を通る低温排Ｎ２ ガス，排Ｎ２ ガスおよびＮ２ ガス取出パイプ３０から送り込まれる製品Ｎ２ ガスにより、熱交換器２２内へ送り込まれる圧縮空気を低温に冷却するようになっている。
【０００５】
３６はＬＮ２ 貯蔵タンク（内部は精留塔２３の圧力より１ｋｇ／ｃｍ２ Ｇ程度低い圧力に設定されている）であり、精留塔２３の上部のＬＮ２ 溜めから導入弁３７ａ付き導入パイプ３７を経てＬＮ２ が圧力差により供給されるようになっている。３８はＬＮ２ 貯蔵タンク３６の下部から延びる自己加圧蒸発器３８ａ付きＬＮ２ 取出パイプである。このＬＮ２ 取出パイプ３８を設けているため、バックアップ作動（メインパイプ３１からの製品Ｎ２ ガスの供給量低下，供給不能等の場合に、ＬＮ２ 貯蔵タンク３６のＬＮ２ を後述のバックアップ系パイプ４２を通して気化し需要側に供給する）後に、ＬＮ２ 貯蔵タンク３６の上部圧力が降下して所定圧力を下回っても、開閉弁３９が開き、ＬＮ２ 貯蔵タンク３６内のＬＮ２ が自己加圧蒸発器３８ａに送り込まれて蒸発し体積膨張したのち、上部パイプ４０を経てＬＮ２ 貯蔵タンク３６の上部空間に導入される。これにより、ＬＮ２ 貯蔵タンク３６の上部圧力が上記所定圧力に戻り、開閉弁３９は閉弁する。４１は上部パイプ４０から延びる開閉弁４１ａ付き排出パイプであり、ＬＮ２ 貯蔵タンク３６の上部圧力が上記所定圧力を上回ると、開閉弁４１ａが開き、ＬＮ２ 貯蔵タンク３６内のＬＮ２ が外部に放出されて所定圧力に戻るようになっている。４２はＬＮ２ 貯蔵タンク３６からメインパイプ３１に延びるバックアップ系パイプであり、空気圧縮系ラインが故障等して、バックアップ系パイプ４２内の圧力が所定圧力（製品Ｎ２ ガス圧力〔ＬＮ２ 貯蔵タンク３６の上部圧力と同じ〕より０．５ｋｇ／ｃｍ２ Ｇ程度低い圧力）に降下すると、開閉弁４３が開き、ＬＮ２ 貯蔵タンク３６内のＬＮ２ がバックアップ用蒸発器４２ａに送り込まれて蒸発し、製品Ｎ２ ガスとしてメインパイプ３１に導入される。これにより、Ｎ２ ガスの供給が途絶えないようにしている。
【０００６】
この装置は、つぎのようにして製品窒素ガスを製造する。すなわち、空気圧縮機により空気を圧縮し、ドレン分離器により圧縮された空気中のＨ２ Ｏを除去してフロン冷却器により冷却し、その状態で吸着筒に送り込み、空気中のＨ２ ＯおよびＣＯ２ を吸着除去する。ついで、Ｈ２ Ｏ，ＣＯ２ が吸着除去された圧縮空気を、精留塔２３からＮ２ ガス取出パイプ３０を経て送り込まれる製品Ｎ２ ガス，膨脹タービン３３から送り込まれる低温排ガス等の冷媒によって冷やされている熱交換器２２に送り込んで超低温に冷却し、その状態で精留塔２３の下部内に投入する。つぎに、この投入圧縮空気をＬＮ２ 溜めからの溢流ＬＮ２ と接触させて冷却し、一部を液化して精留塔２３の底部に液体空気２５として溜める。この過程において、Ｎ２ とＯ２ の沸点の差により、圧縮空気中の高沸点成分であるＯ２ が液化し、Ｎ２ が気体のまま残る。つぎに、この気体のまま残ったＮ２ をＮ２ ガス取出パイプ３０から取り出して熱交換器２２に送り込み、常温近くまで昇温させメインパイプ３１から製品Ｎ２ ガスとして送り出す。一方、精留塔２３の下部に溜った液体空気２５については、これをコンデンサー２６内に送り込み凝縮器２７を冷却させる。この冷却により、精留塔２３の上部から凝縮器２７に送入されたＮ２ ガスが液化して精留塔２３用の還流液となり、第２還流液パイプ２８ｂを経て精留塔２３に戻る。そして凝縮器２７を冷却し終えた液体空気２５は気化し、放出パイプ３２により熱交換器２２に送られてこの熱交換器２２を冷やしたのち、空気中に放出される。他方、コンデンサー２６から取り出した排Ｎ２ ガスの全部もしくは一部は熱交換器２２を通ったのち膨脹タービン３３の駆動部に送り込まれ、これを駆動し冷媒を循環させ、再度熱交換器２２に送り込まれて、熱交換器２２内へ送り込まれる圧縮空気を冷却するようになっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記装置に用いる膨張タービン３３は、１分間に数万回と高速回転させるため、負荷変動に対する追従運転が困難であり、かつ故障が生じやすいという欠点等がある。そこで、比較的小型の空気分離装置では、膨張タービン３３の代替として、外部からＬＮ２ を供給するＬＮ２ 収容タンクを用い、このＬＮ２ 収容タンク内のＬＮ２ を直接に精留塔２３に供給している場合もある。ところが、このものでは、ＬＮ２ を消費するのみであり、ＬＮ２ の製造は不可能である。このため、ＬＮ２ の補給が必要となり、ＬＮ２ 供給源の確保およびＬＮ２ の輸送等のコストアップとなる。一方、膨脹タービン３３を用いた空気分離装置では、ＬＮ２ の製造は、ＬＮ２ の還流液の一部を精留塔２３のＬＮ２ 溜めからＬＮ２ 貯蔵タンク３６に取り出すことにより行われているため、ＬＮ２ 製造量と還流液量のバランスに変動が生じると、製品Ｎ２ ガスの純度に悪影響を及ぼす等運転が難しくなる。また、精留塔２３からＬＮ２ をＬＮ２ 貯蔵タンク３６に減圧供給した場合にフラッシュロスが発生し、ＬＮ２ の収率が低下する等の欠点がある。しかも、ＬＮ２ 貯蔵タンク３６の上部圧力は精留塔２３の圧力よりも少なくとも１ｋｇ／ｃｍ２ Ｇ程度低圧にする必要があり、Ｎ２ ガスのバックアップ時にはＬＮ２ 貯蔵タンク３６の上部圧力をＮ２ 供給圧力にまで上昇させなければならず、この上昇時間はバックアップが停止する。これを防ぐため、Ｎ２ 供給圧力を精留塔２３の圧力より１ｋｇ／ｃｍ２ Ｇ程度低い状態にしているが、精留塔２３の状態は低圧運転の方が効率がよく、効率の悪い運転をしていることになる。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、寒冷源として膨脹タービンを用いることなく、ＬＮ２ 等の製造が可能で、フラッシュの発生がなく、効率の良い運転を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空気を圧縮する空気圧縮手段と、この空気圧縮手段によって圧縮された圧縮空気中の不純物を除去する除去手段と、この除去手段を経た圧縮空気を冷却する熱交換器と、この熱交換器を経由し低温に冷却された圧縮空気を各成分の沸点差を利用して分離し所望の成分を気体状態で取り出す精留塔とを備えた空気分離装置であって、上記熱交換器を経由し低温に冷却された圧縮空気を精留塔の下部に供給し、この精留塔の下部の、精留塔の底部に溜まる液体空気より上方位置に、精留塔内の空気液化用の寒冷源として塔内冷却用冷凍機を設けたという構成をとる。
【００１０】
すなわち、本発明では、精留塔の空気液化用の寒冷源として塔内冷却用冷凍機を用いている。したがって、従来例のように、膨脹タービンを用いた場合の欠点（すなわち、膨脹タービンは１分間に数万回と高速回転するため、負荷変動に対する追従運転が困難であり、かつ故障が生じやすいという欠点）がなくなる。また、本発明において、上記精留塔から気体状態で取り出した成分（Ｎ２ ，Ｏ２ ，Ａｒ等）の一部を導入する貯蔵手段と、上記貯蔵手段に導入した気体状態の成分を液化して上記貯蔵手段内に溜めるタンク内冷却用冷凍機とを設けた場合には、液化成分（ＬＮ２ ，ＬＯ２ ，ＬＡｒ等）の製造を行うこともできる。しかも、本発明では、精留塔にて上記の成分を気体状態で製造し、この気体状態の成分の一部を貯蔵手段に導入したのちタンク内冷却用冷凍機により液化し貯蔵しているため、従来例では生じたフラッシュロスが生じなくなり、収率が向上するうえ、上記の成分の製造量と還流液量のバランスに変動が生じなくなり、上記の成分の純度が劣化しない。さらに、精留塔の圧力（Ｎ２ 等の発生圧力）と貯蔵手段内の圧力は同圧でよく、バックアップ時に貯蔵手段内の圧力を上昇させる必要がなくなる。このため、精留塔を低圧運転することができ、効率の良い運転が行える。また、貯蔵手段に溜めた液化成分を、装置の定期検査等で加温状態となった機器のクールダウンや装置停止等のガスバックアップ供給に利用することもできる。
【００１１】
【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。
【００１２】
図１は本発明の空気分離装置の一実施の形態を示す構成図である。この実施の形態では、図９の空気分離装置において用いた膨脹タービン３３の代替として、精留塔２に空気液化用のパルスチューブ冷凍機３を設けるようにしている。また、ＬＮ２ 貯蔵タンク４にＮ２ ガス液化用のパルスチューブ冷凍機６を設け、精留塔２で製造したＮ２ ガスをＬＮ２ 貯蔵タンク４に導入したのち、パルスチューブ冷凍機６でＬＮ２ にして貯蔵するようにしている。それ以外の部分は図９に示す空気分離装置と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。図１において、１は熱交換器である。この熱交換器１は、図９の熱交換器２２と同様構造の熱交換器であり、同様の作用をする。ただし、この実施の形態では、膨脹タービン３３を用いていないため、熱交換器１内を図９の分岐パイプ３４が通っていない。これにより、熱交換器１内へ送り込まれる圧縮空気は、放出パイプ３２を通る排Ｎ２ ガスおよびＮ２ ガス取出パイプ３０から送り込まれる製品Ｎ２ ガスにより冷却されるようになっている。
【００１３】
２は精留塔である。この精留塔２は、図９の精留塔２３と同様構造の精留塔であり、同様の作用をする。ただし、この実施の形態では、精留塔２の下部周壁から筒体２ａが上向きに突設されており、この筒体２ａの上端開口を蓋する蓋体に空気液化用のパルスチューブ冷凍機３（Ｈｅを冷媒として利用している）が取り付けられている。このパルスチューブ冷凍機３は精留塔２内に寒冷を発生させるものであり、この寒冷により、圧縮空気導入パイプ２４を経て精留塔２に送り込まれる圧縮空気を冷却し、その一部を液化し液体空気として底部に溜め、Ｎ２ を気体状態で上部に溜めるようになっている。５は第１還流液パイプ２８ａから分岐する導出パイプであり、Ｎ２ ガス取出パイプ３０を通るＮ２ ガスの一部を第１還流液パイプ２８ａを介して取り出してＬＮ２ 貯蔵タンク４に導入する作用をする。５ａはＬＮ２ 貯蔵タンク５への最大供給量を制限する導出弁であり、精留塔２のＮ２ の濃度が劣化した場合およびＬＮ２ 貯蔵タンク４のＬＮ２ の液面が上限に達した場合に、閉じるようになっている。６はＬＮ２ 貯蔵タンク４の頂部に設けたＮ２ ガス液化用のパルスチューブ冷凍機（Ｈｅを冷媒として利用している）であり、導出パイプ５を経て送り込まれる（液化温度近くの）Ｎ２ ガスを液化してＬＮ２ 貯蔵タンク４内に溜めるようになっている。７は供給弁７ａ付きＬＮ２ 供給パイプであり、寒冷エネルギー不足時等に供給弁７ａを開いてＬＮ２ 貯蔵タンク４内のＬＮ２ をコンデンサー２６に供給する作用をする。８は断熱保冷箱であり、内部に熱交換器１，精留塔２，コンデンサー２６およびＬＮ２ 貯蔵タンク４が収容されている。この断熱保冷箱８の内部は真空状態に保持されており、かつパーライト（図示せず）が充填されている。この実施の形態では、精留塔２の圧力，ＬＮ２ 貯蔵タンク４の上部圧力および製品Ｎ２ ガス圧力が同一に設定されている。
【００１４】
上記装置において、パルスチューブ冷凍機３の冷凍能力は、熱交換器１の温端温度差によるエンタルピーのロス分とヒートリークロス分でよく、また、パルスチューブ冷凍機６の冷凍能力はＮ２ の潜熱分とヒートリークロス分の冷凍能力でよく、両冷凍機３，６ともに、例えばＮ２ ガス２００Ｎｍ３ ／ｈを発生する空気分離装置であれば、５００Ｗ程度の冷凍能力で運転可能となる。この場合に、ＬＮ２ 製造量は約７Ｎｍ３ ／ｈとなる。また、通常運転時には、パルスチューブ冷凍機３はコンデンサー２６の液体空気の液面を制御しながら運転され、パルスチューブ冷凍機６は貯蔵タンク４の上部圧力を制御しながら運転される。また、導出パイプ５によりＬＮ２ 貯蔵タンク４に供給される最大供給量はパルスチューブ冷凍機６の冷凍能力に左右される。
【００１５】
この装置は、つぎのようにして製品窒素ガスを製造する。すなわち、圧縮機で圧縮した空気を吸着塔に送り、この吸着塔で空気中の不純物（Ｈ２ Ｏ，ＣＯ２ ）を除去し、ついで熱交換器１で液化温度まで冷却したのち、精留塔２下部に供給する。精留塔２内では、供給された圧縮空気が上昇ガスになるとともに、圧縮空気の少量（約１〜２％）がパルスチューブ冷凍機３の寒冷により液化し、精留塔２底部の液体空気２５と混合する。一方、精留塔２の底部に溜まる液体空気２５を膨張弁２９ａで減圧し、コンデンサー２６に供給する。このコンデンサー２６では、凝縮器２７により精留塔２上部のＮ２ ガスの一部を液化するとともに、液体空気をガス化して排Ｎ２ ガスとして放出パイプ３２に放出し、熱交換器１で冷熱を回収したのち、装置外へ排出する。凝縮器２７で液化したＬＮ２ を精留塔２上部から供給し還流液として精留塔２内を降下させる。一方、精留塔２上部のＮ２ ガスの一部をＮ２ ガス取出パイプ３０，第１還流液パイプ２８ａおよび導出パイプ５を通してＬＮ２ 貯蔵タンク４の上部へ供給し、パルスチューブ冷凍機６で液化してＬＮ２ 貯蔵タンク４内に溜め、残りのＮ２ ガスを熱交換器１で冷熱を回収したのち、メインパイプ３１に供給する。
【００１６】
この実施の形態では、精留塔２内の寒冷源としてパルスチューブ冷凍機３を用いているため、従来例のように膨脹タービン３３を用いる必要がなく、負荷変動に対する追従運転が困難であるという欠点や、故障が生じやすいという欠点がなくなる。しかも、精留塔２で製造したＮ2 ガスをＬＮ2 貯蔵タンク４に溜めている（すなわち、ＬＮ2 の製造が行える）ため、ＬＮ2 貯蔵タンク４へのＬＮ2 の補給が不必要となり、ＬＮ2 供給源の確保およびＬＮ2 の輸送等に費用がかからない。また、ＬＮ2 貯蔵タンク４のＬＮ2 を装置の定期検査等により加温状態となった機器のクールダウンや装置停止時のＮ2 ガスのバックアップ供給にも利用することができる。さらに、ＬＮ2 貯蔵タンク４に精留塔２から取り出したＮ2 ガスを導入しているため、ＬＮ2 製造量と還流液量のバランスに変動が生じることがなく、製品Ｎ2 ガスの純度に悪影響を及ぼこともなく、装置の運転が容易になる。また、フラッシュロスが発生せず、ＬＮ2 の収率が低下しない。さらに、ＬＮ2 貯蔵タンク４内の圧力を高くすることができ、従来例のように、Ｎ2 ガスのバックアップ時にＮ2 供給圧力を保つため貯蔵タンク４の上部圧力を上昇させる必要がない。このため、精留塔２を低圧運転にすることができ、効率の良い運転を行うことができる。さらに、パルスチューブ冷凍機３を精留塔２の下部（精留塔２内の最も温度の高い部分）に取り付けているため、精留効率をアップさせることができる。また、通常運転時には、コンデンサー２６の液体空気の液面が所定液面より高くなると、パルスチューブ冷凍機３の冷凍能力が低下し、逆に、上記液面が所定液面より低くなると、冷凍能力が上昇するように液面をコントロールしている。一方、貯蔵タンク４の上部圧力が所定圧力より高くなると、パルスチューブ冷凍機６の冷凍能力が上昇し、逆に、上記上部圧力が所定圧力より低くなると、冷凍能力が低下するようにしている。
【００１７】
上記両パルスチューブ冷凍機３，６は、図２に示すように、円筒状のパルスチューブ１０と、高圧Ｈｅガス溜め（高圧バッファタンク）１１と、低圧Ｈｅガス溜め（低圧バッファタンク）１２とを備えており、上記パルスチューブ１０内でＨｅガスを膨張させることにより、寒冷を発生させるようにしている。このようなパルスチューブ１０は、その冷端（低温側・ガスの入口側）１０ａが精留塔２の下部に配設されているとともに、その熱端（高温側）１０ｂが精留塔２の外部に配設され放熱するようになっている。１３ａ，１３ｂは上記パルスチューブ１０の冷端１０ａおよび熱端１０ｂに配設される円盤状の層流化部材である。１４ａ，１４ｂは上記パルスチューブ１０の冷端１０ａおよび熱端１０ｂに取り付けられる蓋体である。１５は上記冷端側蓋体１４ａの中央貫通穴１４ｃに内嵌状に取り付けられた冷端側本管であり、給気バルブ１６ａを設けた給気管１６と排気バルブ１７ａを設けた排気管１７に分岐している。そして、上記給気管１６の先端が高圧Ｈｅガス源（図示せず）に連通し、上記排気管１７の先端が低圧Ｈｅガス源（図示せず）に連通している。１８は上記熱端側蓋体１４ｂの中央貫通穴１４ｄに内嵌状に取り付けられた熱端側本管であり、第１バルブ１９ａを設けた第１分岐管１９と第２バルブ２０ａを設けた第２分岐管２０に分岐している。そして、上記第１分岐管１９の先端が高圧Ｈｅガス溜め１１に連通し、上記第２分岐管２０が低圧Ｈｅガス溜め１２に連通している。
【００１８】
上記両パルスチューブ冷凍機３，６の作動は、つぎのサイクルを繰り返すことにより行う。まず、図３に示すように、給気バルブ１６ａ，排気バルブ１７ａおよび第２バルブ２０ａを閉弁する。この状態で、パルスチューブ１０内は低圧Ｈｅガス源の内圧と同一圧力となっている。ついで、第１バルブ１９ａを開弁すると、高圧Ｈｅガス溜め１１内の高圧Ｈｅガスがパルスチューブ１０の熱端１０ｂに流れ込み、パルスチューブ１０内のガス圧は高圧Ｈｅガス溜め１１の圧力近くまで上昇する。この過程Ｐのパルスチューブ１０内の気体分布が図３に示されている。図３において、Ｄは高圧Ｈｅガス溜め１１から導入された高圧Ｈｅガスで、Ｂ，Ｃは低圧から高圧になったパルスチューブ１０内のＨｅガスである。
【００１９】
つぎに、図４に示すように、第１バルブ１９ａを開弁した状態で給気バルブ１６ａのみを開弁する（その他のバルブ１７ａ，２０ａは元のまま）と、高圧Ｈｅガス源から高圧Ｈｅガスが供給されてパルスチューブ１０の冷端１０ａに流入する。このとき、高圧Ｈｅガス源の給気圧力が高圧Ｈｅガス溜め１１の圧力よりやや高く設定されており、上記過程Ｐでパルスチューブ１０の熱端１０ｂに流れ込んだ高圧Ｈｅガス溜め１１の高圧ガスＤ（図３参照）はただちに高圧Ｈｅガス溜め１１内に戻される。この過程Ｑは基本的には等圧給気過程であり、パルスチューブ１０内の気体分布が図４に示されている。図４において、Ａは高圧Ｈｅガス源からパルスチューブ１０内に導入された高圧Ｈｅガスである。
【００２０】
つぎに、図５に示すように、第１バルブ１９ａと給気バルブ１６ａを閉弁したのち（排気バルブ１７ａは閉弁したたまま）、第２バルブ２０ａを開弁すると、パルスチューブ１０の熱端１０ｂのガスＣ（図４参照）が低圧Ｈｅガス溜め１２に流入する（戻る）ため、パルスチューブ１０内の圧力が低圧ガス溜め１２の圧力まで低下する。すなわち、上記過程Ｑにおいてパルスチューブ１０の冷端１０ａに入った高圧ＨｅガスＡは、ＨｅガスＢとともに低圧Ｈｅガス溜め１２の圧力まで膨脹し、温度降下してパルスチューブ１０の冷端１０ａ側を冷却する。この過程Ｒのパルスチューブ１０内の気体分布が図５に示されている。
【００２１】
つぎに、図６に示すように、排気バルブ１７ａを開弁する（その他のバルブ１６ａ，１９ａ，２０ａは元のまま）と、上記過程Ｒにおいてパルスチューブ１０内で膨脹したＨｅガスＡが低圧Ｈｅガス源に排出され、低圧Ｈｅガス溜め１２の低圧Ｈｅガスがパルスチューブ１０内に流入する。
【００２２】
こうして１サイクルが終わり、ついで新たに上記過程Ｐが始まる。このように循環してワークするので、高圧Ｈｅガスは、不断に膨脹して低圧となる。気体のパルスチューブ１０内における熱伝導、混合と、流動によるロスとを考慮しない場合、高圧Ｈｅガス溜め１１内の圧力は高圧Ｈｅガス源の給気圧力に、また低圧Ｈｅガス溜め１２内の圧力は低圧Ｈｅガス源の内圧にそれぞれ等しい。そして、上記の１サイクルが終わると、結局、ＨｅガスＡが高圧Ｈｅガス源からパルスチューブ１０内に入り、このパルスチューブ１０内で断熱膨脹し寒冷を発生したのち、低圧Ｈｅガス源内に排出されたことになる。また、ＨｅガスＢは常にパルスチューブ１０内でガスピストンの役割を演じ、Ｃ，Ｄはそれぞれ各Ｈｅガス溜め１１，１２から出入りしているだけである。
【００２３】
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、図１の空気分離装置において、ＬＮ２ 貯蔵タンク４から延びるＬＮ２ 供給パイプ７を精留塔２の上部に接続し、これにより、ＬＮ２ 貯蔵タンク４内のＬＮ２ を精留塔２のＬＮ２ 溜めに導入するようにしている。それ以外の部分は図１に示す空気分離装置と同様であり、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、上記実施の形態の同様に作用し、同様の効果を奏する。
【００２４】
図８は本発明の空気分離装置のさらに他の実施の形態を示している。この実施の形態では、図１の空気分離装置において、ＬＮ２ 貯蔵タンク４に供給弁９ａ付き外部ＬＮ２ 供給パイプ９を取り付けている。それ以外の部分は図１に示す空気分離装置と同様であり、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、図１の実施の形態の同様に作用し、同様の効果を奏する。しかも、ＬＮ２ 貯蔵タンク４に外部ＬＮ２ 供給パイプ９を介して外部からＬＮ２ を供給することができるため、装置のスタートアップ前にＬＮ２ 貯蔵タンク４に外部からＬＮ２ を供給しておき、スタートアップ時にＬＮ２ 貯蔵タンク４からＬＮ２ をコンデンサー２６に供給することにより、スタートアップ時のクールダウンの時間短縮をすることができるようになる。
【００２５】
なお、上記各実施の形態では、冷凍機として、パルスチューブ冷凍機３，６を用いているが、これに限定するものではなく、ＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機，スターリング冷凍機等を用いることができる。これら冷凍機の冷媒としては、Ｈｅが好適に用いられる。また、上記各実施の形態では、Ｎ２ ガスを製造する空気分離装置が示されているが、これに限定するものではなく、Ｎ２ 以外にＯ２ やＡｒを製造するようにしてもよい。
【００２６】
また、各実施の形態において、パルスチューブ冷凍機３が故障した場合や、精留塔２のＮ２ 発生量が増大した（原料空気が増大した）場合に、パルスチューブ冷凍機３の補助として、ＬＮ２ 貯蔵タンク４のＬＮ２ を精留塔２もしくはコンデンサー２６に供給し、寒冷源として用いることができる。また、図８の実施の形態において、ＬＮ２ 貯蔵タンク４から延びるＬＮ２ 供給パイプ７を精留塔２の上部に接続し、これにより、ＬＮ２ 貯蔵タンク４内のＬＮ２ を精留塔２のＬＮ２ 溜めに導入するようにしてもよい。また、上記パルスチューブ冷凍機３，６において、各バルブ１６ａ，１７ａ，１９ａ，２０ａのタイプとして電動バルブ、電磁バルブ、気動バルブまたは回転バルブ等が用いられる。
【００２７】
【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、精留塔の空気液化用の寒冷源として塔内冷却用冷凍機を用いている。したがって、従来例のように、膨脹タービンを用いた場合の欠点（すなわち、膨脹タービンは１分間に数万回と高速回転するため、負荷変動に対する追従運転が困難であり、かつ故障が生じやすいという欠点）がなくなる。また、本発明において、上記精留塔から気体状態で取り出した成分（Ｎ２ ，Ｏ２ ，Ａｒ等）の一部を導入する貯蔵手段と、上記貯蔵手段に導入した気体状態の成分を液化して上記貯蔵手段内に溜めるタンク内冷却用冷凍機とを設けた場合には、液化成分（ＬＮ２ ，ＬＯ２ ，ＬＡｒ等）の製造を行うこともできる。しかも、本発明では、精留塔にて上記の成分を気体状態で製造し、この気体状態の成分の一部を貯蔵手段に導入したのちタンク内冷却用冷凍機により液化し貯蔵しているため、従来例では生じたフラッシュロスが生じなくなり、収率が向上するうえ、上記の成分の製造量と還流液量のバランスに変動が生じなくなり、上記の成分の純度が劣化しない。さらに、精留塔の圧力（Ｎ２ 等の発生圧力）と貯蔵手段内の圧力は同圧でよく、バックアップ時に貯蔵手段内の圧力を上昇させる必要がなくなる。このため、精留塔を低圧運転することができ、効率の良い運転が行える。また、貯蔵手段に溜めた液体状態の成分を、装置の定期検査等で加温状態となった機器のクールダウンや装置停止等のガスバックアップ供給に利用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の空気分離装置の一実施の形態を示す構成図である。
【図２】パルスチューブ冷凍機の説明図である。
【図３】上記パルスチューブ冷凍機の作用を示す説明図である。
【図４】上記パルスチューブ冷凍機の作用を示す説明図である。
【図５】上記パルスチューブ冷凍機の作用を示す説明図である。
【図６】上記パルスチューブ冷凍機の作用を示す説明図である。
【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。
【図８】本発明の空気分離装置のさらに他の実施の形態を示す構成図である。
【図９】従来例を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 熱交換器
２ 精留塔
３，６ パルスチューブ冷凍機
４ ＬＮ２ 貯蔵タンク
Claims (5)
- 外部より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って圧縮された圧縮空気中の不純物を除去する除去手段と、この除去手段を経た圧縮空気を冷却する熱交換器と、この熱交換器を経由し低温に冷却された圧縮空気を各成分の沸点差を利用して分離し所望の成分を気体状態で取り出す精留塔とを備えた空気分離装置であって、上記熱交換器を経由し低温に冷却された圧縮空気を精留塔の下部に供給し、この精留塔の下部の、精留塔の底部に溜まる液体空気より上方位置に、精留塔内の空気液化用の寒冷源として塔内冷却用冷凍機を設けたことを特徴とする空気分離装置。
- 上記精留塔から気体状態で取り出した成分の一部を導入する貯蔵手段と、上記貯蔵手段に導入した気体状態の成分を液化して上記貯蔵手段内に溜めるタンク内冷却用冷凍機とを設けた請求項１記載の空気分離装置。
- 冷凍機がＨｅ（ヘリウム）を利用した冷凍機である請求項１または２記載の空気分離装置。
- 冷凍機がＧＭ冷凍機，スターリング冷凍機またはパルスチューブ冷凍機である請求項３記載の空気分離装置。
- 精留塔で取り出される成分がＮ2 ，Ｏ2 およびＡｒの少なくとも１つである請求項１記載の空気分離装置。
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