JPH0323830B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ガス分離装置に関するものである。

たとえば、空気と窒素と酸素とに分離するに
は、気体状の空気をその一部が液化するまで冷却
して窒素リツチな気体を得、この気体を別の個所
で再びその一部が液化するまで冷却してさらに窒
素リツチな気体を得るという操作を繰り返すこと
が必要である。そして、このような操作を連続的
に行なわせる手段として、頂部側を底部側よりも
低温に維持した精留塔内に通気性を有した精留板
を多段に配設しておき、前述のような液化操作に
よつて得られる液体を上段の精留板上から下段の
精留板上へ順次に流下させて該精留塔の底部方向
へ導くようにするとともに、前記気体を前記各精
留板の通気孔および該精留板上の液体層内へ順次
に通過させて該精留塔の頂部方向へ導くようにし
たものがある。しかして、このものは、前記精留
板の下面側から通気口を通して該精留板の上面側
に形成された液体層内に導入された泡状の気体が
相対的に低温な液体に接触することによつて冷却
され、該気体内の酸素成分の一部が液化して前記
液体内に溶出するとともに前記液体内の窒素成分
の一部が気化して該気体内に取り込まれる（以下
この現象を「物質移動」と称す）ことになる。そ
して、このような物質移動が各精留板毎に行なわ
れる結果、前記精留塔の頂部では窒素の割合がき
わめて高くなり、底部では酸素の割合がきわめて
高くなるわけである。

ところで、このような装置を用いて精留を行な
う場合は、前記コンデンサ部分で吸収する熱量
と、前記ボイラ部分に付加する熱量が大きいほ
ど、少ない段数の精留板で高純度のガス分離を行
なうことが可能となる。ところが、従来、コンデ
ンサを効率よく冷却しかつボイラを効率よく加熱
するシステムが開発されていないため、高純度の
ガス分離を行なう場合は、精留板の段数の多い大
形の精留塔を用いざるを得ないという不都合があ
つた。

本発明は、このような事情に着目してなされた
もので、精留塔のコンデンサ部分をヘリウム冷凍
機等の極低温冷凍機によつて冷却し得るように構
成するとともに、該冷凍機の高温部から吐出され
る高圧の作動ガスの全部または一部を前記精留塔
のボイラ部分に配置した熱交換器を経由させて前
記冷凍機の低温部へ導く温調系路を設けることに
よつて、前述した不都合を簡単かつ確実に解消す
ることができるようにしたガス分離装置を提供す
るものである。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明
する。

図示しない断熱箱内に精留塔１を設けている。
精留塔１は、頂部にコンデンサ２を有するととも
に底部にボイラ３を有してなる筒状のもので、そ
の中間部に物質移動手段である精留板４…を多段
に設けている。精留板４…は、上下に貫通する多
数の通気孔４ａ…を有してなる皿状のもので、そ
の上面部に液体Ｌが溜り得るようになつている。
そして、これら各精留板…４の縁側には、各精留
板４…からあふれ出た液体Ｌを下段へ流化させる
ための液体通路４ｂ…が設けてある。また、前記
コンデンサ２を極低温冷凍機、例えば、Solvey
Cycleによるヘリウム冷凍機５によつて、例えば
80〓程度の温度状態に維持するようにしている。

ヘリウム冷凍機５は、高温部たる圧縮機構６か
ら供給される高圧の作動ガス、つまり、ヘリウム
ガスを前記コンデンサ２部分に配置した低温部た
る膨張機構７で断熱膨張させて前記コンデンサ２
部分を冷却するように構成したものである。詳述
すれば、軸心回りに回転可能な軸状の回転体８の
下端側を前記精留塔１の頂部内に挿入し、その挿
入端部を芯にして前記膨張機構７を構成してい
る。膨張機構７は、前記回転体８の挿入端部の外
周囲をケーシング９により囲繞するとともに、前
記挿入端部にその外周に開口する複数本の溝１０
…を放射状に設け、これら各溝１０…にベーン１
１…径方向に突没可能に嵌合させている。そして
これらのベーン１１…を遠心力やばね力あるいは
圧力等により外方へ突出させてその先端を前記ケ
ーシング９の内周面９ａに摺接させることによつ
て隣接するベーン１１，１１間にそれぞれ膨張室
１２…を形成している。なお、ケーシング９の内
周面９ａは、第４図に示すような特殊な形状に形
成されており、図に示す第１領域および第２領
域を通過中の膨張室１２…は、前記回転体８の
矢印Ｘ方向への回転に伴つて漸次容積が増大し、
第３領域を通過中の膨張室１２…は、漸次容積
が減少するようになつている。また、前記回転体
８の内部に前記各膨張室１２…に対応する複数の
蓄冷器１３…を設けている。蓄冷器１３は、例え
ば、多数の小孔を有した銅板１４とを図示しない
スペーサとを交互に複数個積層してなるもので、
前記回転体８の内部に円周方向に等角間隔をあけ
て形成された段面扇形の複数の空洞１５…内にそ
れぞれ収容されている。そして、これら各蓄冷器
１３…の低温端１３ａ…側をガス流出入ポート１
６…を介して対応する膨張室１２…にそれぞれ連
通させるとともに、前記各蓄冷器１３…の高温端
１３ｂ…側を切換機構１７を介して給気系路１８
または排気系路１９に所定のタイミングで接続す
るようにしている。切換機構１７は、前記回転体
８の外周の前記精留塔１外に位置する部位に固定
リング２１を気密に嵌合させ、この固定リング２
１の内周に前記給気系路１８に連通する給気ポー
ト２２と前記排気系路１９に連通する排気ポート
２３とを円周方向に所定の間隔をあけて開口させ
るとともに前記回転体８外周の前記固定リング２
１に対応する部位に前記各蓄冷器１３…に連通す
る複数のガス流出入ポート24…を円周方向に等角
間隔をあけて開口させてなるのである。なお、前
記給気ポート２２および排気ポート２３はそれぞ
れ円周方向に細長なもので、前記給気ポート２２
は前記第１領域を通過中の膨張室１２…に対応
するガス流出入ポート２４…に連通し、前記排気
ポート２３は前記第３領域通過中の膨張室１２
…に対応するガス流出入ポート２４…に連通する
ように設定されている。また、前記給気系路１８
は、前記圧縮機構６の吐出口６ａから吐出される
高圧のヘリウムガスをクーラ２５により空冷した
後に前記給気ポート２２へ導くようにしたもので
あり前記クーラ２５の上流には高圧タンク２６が
設けてあるとともに、下流に電動バルブ２７が介
設してある。一方、排気系路１９は、前記排気ポ
ート２３を介して排出されるガスを前記圧縮機構
６の吸込口６ｂへ戻すようにしたものである。

そして、前記給気系路１８の電動バルブ２７介
設部に、温調系路２８を設けている。温調系路２
８は、前記給気系路１８の前記電動バルブ２７よ
りも上流部分のヘリウムガスを前記ボイラ３に配
置した熱交換器２９を経由させて前記給気系路１
８の前記電動バルブ２７よりも下流部分へ戻すよ
うにしたもので、前記電動バルブ２７の開度を調
整することによつて該温調系路２８を流れるヘリ
ウムガスの流量を制御することができるようにな
つている。なお、原料ガスは、前記ボイラ３部分
に配置した熱交換器（図示せず）を通過させた
後、精留塔１の中段部分に逐次供給するようにな
つている。

次いで、その装置の作動を説明する。なお、本
実施例で採用されているヘリウム冷凍機５は、６
組の膨張室１２…およびそれらに対応する蓄冷器
１３…等を有しているのが、これらは、それぞれ
同一の作用を営むので、特定のものを選択しその
記号に（ ）を付して説明する。また、この冷凍
機５の作動を説明する際に、「膨張室１２が領域
、、またはに存在する」という表現また
は、それに準じた表現を用いるが、これは「膨張
室１２のガス流出入ポート２４に対応する部位が
領域、、またはに存在する」ということ
を意味するものとする。

まず、ヘリウム冷凍機５の作動から説明する
と、膨張室１２が第１の領域に存在する場合に
は、この膨張室１２に対応するガス流出入ポート
２４が給気ポート２２と連通した状態となつてい
る。そのため、圧縮機構６から吐出された高圧の
ガスが給気系路１８を通して前記ガス流出入ポー
ト２４内へ導入され、対応する蓄冷器１３を通し
て前記膨張室１２内へ導びかれる。第１の領域
に存在する膨張室１２においては、回転進み側の
ベーン１１の受圧面積が回転遅れ側のベーン１１
の受圧面積よりも大きくなつているので、この膨
張室１２内に高圧のガスが導入されると前記回転
体１に矢印Ｘ方向の回動付勢力が働き、該回転体
１が前記膨張室１２とともに矢印Ｘ方向に回転す
る。そしてこの膨張室１２が第２の領域へ移行
すると、前記ガス流出入ポート２４が固定リング
２１の内周面によつて閉止状態となり、給気系路
１８からのガスの供給は止まるが、前記膨張室１
２内に封入されたガスは今まだ高い圧力を有して
おり、しかも前記両ベーン１１，１１の受圧面積
の関係は前述したままであるため、該膨張室１２
内のガスは前記回転体８を矢印Ｘ方向へ付勢しつ
つ膨張することになる。しがつて、第２の領域
を通過中の膨張室１２内のガスは断熱膨張を行な
い、その温度が低下することになる。なお、ガス
が断熱膨張を行なう際等に発生する回転体１の回
転力は、該回転体８に連結した発電機（図示せ
ず）等によつて吸収する。次いで、前記膨張室１
２が、第３の領域へ移行すると、ガス流出入ポ
ート２４が排気ポート２３と連通状態になる。そ
して、この領域に存在する、膨張室１２はケー
シング９の形状により回転体８の矢印Ｘ方向への
回転に伴つて容積が漸次減少するようになつてい
る。そのため、前記膨張室１２内の低温のガスは
蓄冷器１３を冷しながら前記排気ポート２３部分
へ導びかれ排気系路１９を介して順次圧縮機構６
へ戻されることになる。このようにして、内部の
ガスをはき出した膨張室１２は次にガス流出入口
２４が閉止される第４の領域へ移行し、この領
域を通過した後、前記第１の領域へ戻ること
によつて１サイクル終える。したがつてこのよう
なサイクルを何度も繰り返すことによつて、前記
ケーシング９部分が極低温となり、精留塔１のコ
ンデンサ２が冷却され続けることになる。

したがつて、空気の分離を行なうには、まず前
記ヘリウム冷凍機５を作動させるとともに、原料
空気を精留塔１内に供給する。そして、前記原料
空気の一部が液化して各精留板４…上に、前記液
体Ｌが所要量溜るまで以上の予備運転を続け、し
かる後に、定常運転に移行する。すなわち、前記
ヘリウム冷凍機５の運転および前記精留塔１内へ
の原料空気の供給を定常的に行なう。そうする
と、前記各精留板４…部において、該精留板４…
上に存在する液体Ｌ…と前記精留塔１内を上方に
向つて流れる気体Ｇとが接触して前述した物質移
動が行われる。そのため、前記液体Ｌは下段へ移
行する毎に酸素リツチとなり前記気体Ｇは上段へ
移行する毎に窒素リツチになる。そして、前記精
留塔１の頂部では、非常に窒素リツチになつた気
体Ｇ，換言すれば、若干の酸素を含んだ窒素ガス
がコンデンサ２により液化されて最上段の精留板
４上へ戻されるとともに純度の高い窒素ガス（要
すれば、液体窒素）が製品として外部へ取り出さ
れる。また、前記精留塔１の底部では、ボイラ３
に溜る酸素リツチな液体Ｌが該ボイラ３を通過す
る原料空気の有する熱によつて温められる。それ
によつて、窒素成分を少しでも多く含んだ酸素ガ
スが前記ボイラ３から蒸発して精留板４へ供給さ
れるとともに、液体酸素（要すれば、酸素ガス）
が製品として外部へ取り出される。

以上の基本動作により、原料空気を窒素と酸素
とに分離することができるわけであるが、本装置
では、さらに、ヘリウム冷凍機５の給気系路１９
に温調系路２８を付設し、圧縮機構６から吐出さ
れるヘリウムガスの一部（電動バルブ２７を全閉
にした場合には全部）を前記ボイラ３部分に配置
した熱交換器２９を経由させて該冷凍機５の膨張
機構７へ導くようにしているので、前記ボイラ３
部分で冷された高圧ヘリウムガスが前記膨張機構
７に供給されることになる。そのため、圧縮機構
６から吐出される温度の高いヘリウムガスをクー
ラ２５により冷却した後、直接に膨張機構７へ供
給する場合に比べて該冷凍機５の冷凍能力を高め
ることができる。換言すれば、ヘリウムガスを予
冷するためのクーラを大がかりなものにしなくて
も高い冷凍能力を発揮させることができる。一方
ボイラ３は、前記温調系路２８の熱交換器２９を
通過するヘリウムガスから熱を付与されることに
なるので、蒸発能力が向上する。換言すれば、コ
ンデンサ２部分で吸収した熱の一部が前記温調系
路２８を流れるヘリウムガスを介してボイラ３内
に運び込まれることになるので、例えば、ボイラ
３にヒータ等を設けて外部からエネルギーを付加
することなしにボイラ３の能力を高めることがで
きる。したがつて、このようなものであれば、大
がかりなクーラを用いたり外部から多大なエネル
ギーを寄与することなしに、コンデンサ２部分で
吸収する熱量と、ボイラ３部分に供給する熱量を
有効に増大させることが可能であり、少ない段数
の精留板４…を用いて高純度のガス分離を行なう
ことができるものである。また、この実施例のよ
うに、温調系路２８を電動バルブ２７に並列に設
けておけば、前記バルブ２７の開度を調節するこ
とによつて、前記温調系路２８を流れるガスの流
量を変えることができるので、コンデンサ２部分
で吸収する熱量とボイラ３部分に供給する熱量を
自在に制御することができるという利点も得られ
る。

なお、極低温冷凍機は、ヘリウムガスを作動ガ
スとするもに限られないのは勿論であり、また、
ロータリ式のものに限らず、レシプロ式のもので
あつてもよい。または冷凍機はSolvey Cycleに
限らず、Gifford−McMahon Cycleでもよい。

また、分離するガスは空気に限らず、他のもの
であつてもよい。

本発明は、以上のような構成であるから、構成
が簡単で効率が高く、きわめてコンパクトなガス
分離装置を提供できるものである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示し、第１図は概略
正断面図、第２図は第１図におけるＡ−Ａ線断面
図、第３図は第１図におけるＢ−Ｂ線断面図、第
４図は第１図におけるＣ−Ｃ線断面図である。 １……精留塔、２……コンデンサ、３……ボイ
ラ、４……物質移動手段（精留板）、５……極低
温冷凍機（ヘリウム冷凍機）、６……高温部（圧
縮機構）、７……低温部（膨張機構）、２８……温
調系路、２９……熱交換器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 頂部にコンデンサを有するとともに底部にボ
   イラを有しかつ中間部に気液を接触させて物質移
   動を行なわせるための物質移動手段を設けてなる
   精留塔と、高温部から供給される高圧の作動ガス
   を前記コンデンサ部分に配置した低温部で断熱膨
   張または等温膨張させて前記コンデンサ部分を冷
   却する極低温冷凍機と、この冷凍機の高温部から
   吐出される高圧作動ガスの全部または一部を前記
   ボイラ部分に配置した熱交換器を経由させて前記
   冷凍機の低温部へ導く温調系路とを具備してなる
   ことを特徴とするガス分離装置。