JPH10259988A - Air separation method and device - Google Patents

Air separation method and device

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JPH10259988A
JPH10259988A JP11407697A JP11407697A JPH10259988A JP H10259988 A JPH10259988 A JP H10259988A JP 11407697 A JP11407697 A JP 11407697A JP 11407697 A JP11407697 A JP 11407697A JP H10259988 A JPH10259988 A JP H10259988A
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JP
Japan
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heat exchanger
main heat
compressed air
gas
heat exchange
Prior art date
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Application number
JP11407697A
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Japanese (ja)
Inventor
Toshihiro Wakai
稔弘 若井
Masayuki Tanaka
正幸 田中
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Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
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Publication date
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  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To utilize the owned capability of a main heat exchanger most effectively by utilizing a line at a lower temperature side than a compressed air blow-off position halfway from a position in a main heat exchanger as the passage line of a return gas. SOLUTION: In an air separation method, a compressed air being sent from a branch pipeline 6b being branched from a compressed air feeding pipeline 6a to the hightemperature side of a main heat exchanger 7 is extracted halfway through the main heat exchanger 7, is heat-insulated and inflated by an inflation turbine 5, is cooled to a cold temperature, and is sent to the upper part of a rectifying column. In this case, in the compressed air being sent to the main heat exchanger 7 through the branch pipeline 6b, only one portion of the high- temperature side is utilized for heat exchange so that it is not cooled excessively in the main heat exchanger 7 and the greater part of it is not utilized. Furthermore, the cold air is collected in the main heat exchanger 7 most effectively when a return gas temperature is set to the lowest temperature region, thus utilizing the unused low-temperature side region in the main heat exchanger 7 effectively.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は空気分離方法および
装置に関し、特に、空気分離装置内に配置された主熱交
換器で原料空気を戻りガスとの熱交換により冷却するタ
イプの空気分離方法および装置において、主熱交換器の
有する熱交換性能を最大限有効に活用可能にすると共
に、空気分離のための動力低減を図るこのとできる方法
および装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an air separation method and apparatus, and more particularly to an air separation method of a type in which raw air is cooled by heat exchange with return gas in a main heat exchanger disposed in the air separation apparatus. The present invention relates to a method and an apparatus capable of maximally and effectively utilizing the heat exchange performance of a main heat exchanger and reducing power for air separation.

【0002】[0002]

【従来の技術】空気を窒素ガスと酸素ガスに分離する空
気分離法は、製鉄、化学、電子工業等の広範な分野で使
用されている。この様な空気分離法については、分離効
率の向上、ランニングコストの低下、操業安定性の向上
等を目的として様々の研究が進められている。
2. Description of the Related Art An air separation method for separating air into nitrogen gas and oxygen gas is used in a wide range of fields such as steelmaking, chemicals, and electronics. Various studies have been conducted on such an air separation method for the purpose of improving separation efficiency, lowering running costs, improving operation stability, and the like.

【0003】図3は、その様な状況の下で開発されたモ
レキュラシーブ型の空気分離法を示すフロー図である。
原料空気は、エアフィルタ1、原料空気圧縮機2、冷却
器3等を経て所望の圧力、温度、湿度の空気(以下、圧
縮空気ということがある)とされ、モレキュラシーブ吸
着器6へ導かれる。図のモレキュラシーブ吸着器6は2
基1対の切換え方式であり、該吸着器6内では、ゼオラ
イト等の吸着作用によって上記圧縮空気中の水分、炭酸
ガス、炭化水素ガス等がほゞ完全に除去される。上記吸
着器6から管路6aを通して導出された圧縮空気は、主
熱交換器7へ導かれ、後述する戻りガスとの熱交換によ
って液化点付近まで冷却され、精留塔8の下塔8a下部
へ導入される。
FIG. 3 is a flow chart showing a molecular sieve type air separation method developed under such a situation.
The raw air passes through an air filter 1, a raw air compressor 2, a cooler 3, and the like, is converted into air having a desired pressure, temperature, and humidity (hereinafter, may be referred to as compressed air), and is guided to a molecular sieve adsorber 6. The molecular sieve adsorber 6 shown in FIG.
In the adsorber 6, moisture, carbon dioxide gas, hydrocarbon gas and the like in the compressed air are almost completely removed by the adsorption of zeolite or the like. The compressed air led out of the adsorber 6 through the pipe 6a is led to the main heat exchanger 7 where it is cooled to near the liquefaction point by heat exchange with return gas to be described later. Is introduced to

【0004】下塔8aに導入された圧縮空気は、下塔8
a内を上昇していく過程で冷却されつつ蒸留分離が進行
していき、下塔8a上部からは低沸点の窒素リッチ液
(液体窒素)9として取り出され、一方下部においては
高沸点の酸素リッチ液10が貯留される(以下粗留工程
ということがある)。上部窒素リッチガスは管路13に
よって主凝縮器8bへ導かれ、ここで液化され管路14
を下降して下塔8a上部に戻る。下塔8a上部の窒素リ
ッチ液は、管路15により過冷却器12を経て上塔8c
の頂部へ導かれる。
The compressed air introduced into the lower tower 8a is
The distillation separation proceeds while being cooled in the process of ascending in the column a, and is taken out from the upper portion of the lower column 8a as a low-boiling nitrogen-rich liquid (liquid nitrogen) 9, while the lower portion is a high-boiling oxygen-rich liquid 9. The liquid 10 is stored (hereinafter sometimes referred to as a coarse distillation step). The upper nitrogen rich gas is led by line 13 to main condenser 8b where it is liquefied and
To return to the upper part of the lower tower 8a. The nitrogen-rich liquid in the upper part of the lower tower 8a passes through the supercooler 12 through the pipe 15 and passes through the upper tower 8c.
To the top of

【0005】一方上記酸素リッチ液10は、管路25に
よって過冷却器12を経て上塔8cの中段へ導かれる。
また下塔8aの中段からは、粗留工程中期の液体窒素が
管路11により過冷却器12を経て上塔8cの上段へ導
かれる。この様に上塔8cの中段、上段及び頂部から導
入されて上塔8c内を降下する低温の液体窒素及び酸素
リッチ液10は、上塔8c内を上昇するガスとの間で物
質移動が行なわれることによって精留が進行する。
On the other hand, the oxygen-rich liquid 10 is led to the middle stage of the upper tower 8c via the subcooler 12 by the pipe 25.
From the middle stage of the lower tower 8a, liquid nitrogen in the middle stage of the rough distillation process is led to the upper stage of the upper tower 8c via the supercooler 12 by the pipe line 11. As described above, the low-temperature liquid nitrogen and oxygen-rich liquid 10 introduced from the middle, upper, and top portions of the upper tower 8c and descending in the upper tower 8c undergo mass transfer with the gas rising in the upper tower 8c. The rectification proceeds by being performed.

【0006】こうした各工程が繰り返されることによっ
て、上塔8cの頂部には高純度窒素ガスが集められ、一
方上塔8cの下部には高純度液体酸素が貯留され、これ
らは、管路16及び17を経由し前記戻りガスとなって
主熱交換器7へ導かれ、モレキュラシーブ吸着器6から
導出される圧縮空気との間で熱交換を行なって寒冷を利
用した後、高純度窒素及び高純度酸素として製品化され
る。
By repeating these steps, high-purity nitrogen gas is collected at the top of the upper tower 8c, and high-purity liquid oxygen is stored at the lower part of the upper tower 8c. 17, and is returned to the main heat exchanger 7 as the return gas, and heat exchange is performed between the compressed air extracted from the molecular sieve adsorber 6 to utilize the cold. Commercialized as oxygen.

【0007】このとき、前記モレキュラシーブ吸着器6
から導出される圧縮空気の一部は、主熱交換器7へ導入
される前で分岐され、膨張タービン5の入側の加圧器5
aで加圧されてから主熱交換器7へ導入され、主熱交換
器7の高温側で冷却された後その途中から抜き出して膨
張タービン5へ返送され、ここで断熱膨張されることに
より更に冷却されてから上塔8cの中段へ導入される。
また上塔8cの上段部よりやや下側の位置からは、管路
20を経て粗窒素ガス(引き抜きガス)が抜き出され、
過冷却器12から主熱交換器7を経て戻りガスとして熱
交換により寒冷を利用した後、熱交換後の引き抜きガス
は再生用加熱器29を経てモレキュラシーブ吸着器6へ
供給され、モレキュラシーブ吸着器6の再生に利用さ
れ、余剰の引き抜きガスは管路21から蒸発クーラー4
へ供給し、冷却器3の冷却に利用される冷却水の冷却に
利用された後放出される。上記モレキュラシーブ吸着器
6の再生加熱後は、バルブV1 ,V2 の切り替えによっ
て前記引き抜きガスを該再生加熱後のモレキュラシーブ
吸着器6へ供給してこれを冷却し、吸着工程への切り替
え準備を終える。尚、モレキュラシーブ吸着器6の再生
に利用された引き抜きガスは逐次系外へ放出される。
At this time, the molecular sieve adsorber 6
Is branched before being introduced into the main heat exchanger 7, and is compressed by the pressurizer 5 on the inlet side of the expansion turbine 5.
After being pressurized by a, it is introduced into the main heat exchanger 7, is cooled on the high temperature side of the main heat exchanger 7, is extracted from the middle thereof, is returned to the expansion turbine 5, and is adiabatically expanded. After being cooled, it is introduced into the middle stage of the upper tower 8c.
Further, from a position slightly below the upper part of the upper tower 8c, crude nitrogen gas (extracted gas) is extracted through the pipe line 20,
After utilizing cold by heat exchange as a return gas from the subcooler 12 through the main heat exchanger 7, the extracted gas after the heat exchange is supplied to the molecular sieve adsorber 6 through the regeneration heater 29, The excess extracted gas is used for the regeneration of the evaporative cooler 4
After being used for cooling the cooling water used for cooling the cooler 3. After the regenerative heating of the molecular sieve adsorber 6, the extracted gas is supplied to the molecular sieve adsorber 6 after the regenerative heating by switching the valves V 1 and V 2 to cool the same, thereby completing the preparation for switching to the adsorption step. . In addition, the extraction gas used for the regeneration of the molecular sieve adsorber 6 is sequentially released to the outside of the system.

【0008】この様な空気分離装置に配置される主熱交
換器は、熱交換効率を高めるためコルゲートフィン(プ
レーン型フィン、ヘリンボーン型フィン、パーフォレイ
ト型フィン、ルーバー型フィン、セレート型フィン等)
を主たる熱交換部材とするユニットを多段に積層して組
み付け、互いに隣接するユニットに相互に熱交換される
べき流体を対向流で流すことによって熱交換が行われる
様に構成されている。
The main heat exchanger disposed in such an air separation device is a corrugated fin (a plain fin, a herringbone fin, a perforate fin, a louver fin, a serrate fin, etc.) in order to enhance heat exchange efficiency.
The main heat exchange members are stacked and assembled in multiple stages, and heat exchange is performed by flowing fluids to be mutually heat-exchanged to adjacent units in counterflow.

【0009】ところで図3に示した様な従来の空気分離
法では、前述の如く、圧縮空気を主熱交換器7の手前で
分岐してから該主熱交換器7へ送給した後、その途中か
ら抜き出して膨張タービン5へ戻す構成となっている。
従って、該圧縮空気が通過する熱交換ユニットの部分は
熱交換器として有効に活用されるが、圧縮空気が抜き出
された以降の熱交換ユニット部分、即ち図3の一点鎖線
で示す領域は、熱交換機能を有しているにも拘らず活用
されずに放置されたままとなっている。
By the way, in the conventional air separation method as shown in FIG. 3, the compressed air is branched before the main heat exchanger 7 and then sent to the main heat exchanger 7 as described above. It is configured to be extracted from the middle and returned to the expansion turbine 5.
Therefore, the portion of the heat exchange unit through which the compressed air passes is effectively used as a heat exchanger, but the portion of the heat exchange unit after the compressed air is extracted, that is, the area indicated by the dashed line in FIG. Despite having a heat exchange function, it is left unused and not utilized.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の様な
事情に着目してなされたものであって、その目的は、空
気分離を実施する際に圧縮空気の冷却に用いられる主熱
交換器の前記未活用部分を熱交換に有効に活用できる様
にし、主熱交換器の保有能力を最大限有効に活かし得る
様な技術を確立しようとするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and has as its object the main heat exchange used for cooling compressed air when performing air separation. It is an object of the present invention to establish a technique that enables the unused portion of the heat exchanger to be effectively used for heat exchange and makes the most of the holding capacity of the main heat exchanger.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すること
のできた本発明に係る空気分離方法は、予冷された圧縮
空気を主熱交換器を経て精留塔へ供給し、精留塔からの
戻りガスを前記主熱交換器に通して前記圧縮空気の冷却
に利用すると共に、前記主熱交換器を流れる前記圧縮空
気の一部を該主熱交換器の途中から抜き出し、断熱膨張
させてから精留塔上塔へ供給する空気分離方法におい
て、前記主熱交換器における前記途中からの圧縮空気抜
き出し位置よりも低温側のラインを、前記戻りガスの通
過ラインとして利用することにより、該戻りガスの熱交
換利用率を高めるところに要旨が存在する。
SUMMARY OF THE INVENTION The air separation method according to the present invention, which can solve the above problems, supplies precooled compressed air to a rectification column via a main heat exchanger, and supplies the precooled compressed air to the rectification column. The return gas is passed through the main heat exchanger to be used for cooling the compressed air, and a part of the compressed air flowing through the main heat exchanger is extracted from the middle of the main heat exchanger and adiabatically expanded. In the air separation method for supplying to the upper tower of the rectification column, a line on the lower side of the compressed air withdrawal position in the main heat exchanger is used as a return gas passage line, whereby the return gas is removed. The point lies in increasing the heat exchange utilization rate of the steel.

【0012】また本発明に係る空気分離装置の構成は、
予冷された圧縮空気を主熱交換器を経て精留塔へ供給
し、精留塔からの戻りガスを前記主熱交換器に通して前
記圧縮空気の冷却に利用すると共に、前記主熱交換器を
流れる前記圧縮空気の一部を該主熱交換器の途中から抜
き出し、断熱膨張させてから精留塔上塔へ供給する様に
した空気分離装置において、前記戻りガス流路を分岐さ
せ、前記主熱交換器における前記途中からの圧縮空気抜
き出し位置よりも低温側に前記戻りガスラインを形成す
ると共に、その高温側で主熱交換器の他の戻りガスライ
ンに合流させてなるところに特徴を有している。
[0012] The configuration of the air separation device according to the present invention is as follows.
The pre-cooled compressed air is supplied to the rectification column via the main heat exchanger, and the return gas from the rectification column is passed through the main heat exchanger to be used for cooling the compressed air, and the main heat exchanger A part of the compressed air flowing through the main heat exchanger is withdrawn from the middle of the main heat exchanger, adiabatically expanded, and then supplied to the upper tower of the rectification column. It is characterized in that the return gas line is formed at a lower temperature side than the compressed air withdrawal position in the main heat exchanger from the middle, and is joined to another return gas line of the main heat exchanger at the high temperature side. Have.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】上記の様に本発明では、図3に示
した様な方法および装置を使用し、前記主熱交換器へ送
り込まれる圧縮空気の一部を該主熱交換器の高温側から
導入した後、該主熱交換器の途中から抜き出し断熱膨張
させてから精留塔上塔へ供給する方法を実施する際に、
前記図3に一点鎖線で示した如く該主熱交換器の上記圧
縮空気抜き出し位置よりも低温側が、熱交換に全く活用
されていない点に注目し、この部分を熱交換に有効に活
用できる様にすることによって、主熱交換器7が本来有
している性能を無駄なく最大限有効に活かし得る様にし
たものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS As described above, in the present invention, a part of the compressed air sent to the main heat exchanger is changed by using the method and the apparatus as shown in FIG. After introduction from the side, when carrying out the method of withdrawing from the middle of the main heat exchanger and adiabatically expanding and then supplying it to the upper column of the rectification column,
It is noted that, as shown by the dashed line in FIG. 3, the lower side of the main heat exchanger than the compressed air extraction position is not used for heat exchange at all, and this portion can be effectively used for heat exchange. By doing so, the performance inherent in the main heat exchanger 7 can be utilized as effectively as possible without waste.

【0014】具体的には、例えば図1に要部を抜粋して
示す如く、主熱交換器7における前記未活用の領域に精
留塔8からの戻りガス(図示例では、粗窒素ガス)の一
部を分岐して通過させ、この部分で戻りガスの寒冷をよ
り効果的に回収できる様にしており、それによってもた
らされる作用効果は以下に示す如く極めて大であり、空
気分離方法を実用化する上で多大な利益をもたらす。
More specifically, for example, as shown in FIG. 1, the main part of the unused portion of the main heat exchanger 7 is returned gas from the rectification column 8 (crude nitrogen gas). Part of the gas is branched and passed therethrough, so that the cold of the return gas can be recovered more effectively in this part, and the effect brought by it is extremely large as shown below. Bring a great benefit in

【0015】当該利益の第一点は、主熱交換器7による
寒冷回収率が著しく高められることである。即ち図1に
示した様な方法において、圧縮空気送給管路6aから分
岐した分岐管路6bから主熱交換器7の高温側へ送り込
まれる圧縮空気は、前述の如く主熱交換器7の途中から
抜き出して膨張タービン5で断熱膨張し寒冷付近にまで
冷却してから精留塔上塔8cへ送り込まれるが、該主熱
交換器7を通過する際に冷却され過ぎると、膨張タービ
ン5の出側で圧縮空気が液化を起こして安定操業の障害
となる。
The first point of the benefit is that the cold recovery rate by the main heat exchanger 7 is significantly increased. That is, in the method as shown in FIG. 1, the compressed air fed from the branch line 6b branched from the compressed air supply line 6a to the high temperature side of the main heat exchanger 7 is supplied to the main heat exchanger 7 as described above. It is withdrawn from the middle, adiabatically expanded by the expansion turbine 5, cooled to near cold, and then sent to the upper rectification tower 8 c. If it is cooled too much while passing through the main heat exchanger 7, the expansion turbine 5 The compressed air liquefies on the outlet side, which hinders stable operation.

【0016】そのため操業安定性を確保するには、該分
岐管路6bを通して主熱交換器7へ送り込まれる圧縮空
気は、主熱交換器7内で過度に冷却されることのない
様、高温側の一部が熱交換に活用されているだけで、大
部分は未活用のままとなる。しかも、当該主熱交換器7
において寒冷が最も有効に回収されるのは、戻りガス温
度が最も低い低温領域(図1の下側領域)であり、当該
低温領域に未活用部が残されることは、寒冷回収率の向
上に大きな障害となる。この様なところから、主熱交換
器7における未使用の低温側領域を有効に活用すること
は、寒冷回収率の向上に極めて効果的となるのである。
第二の利益は、空気分離における低圧系統の圧力損失が
低減され、それによって空気分離の動力効率が高められ
ることである。
Therefore, in order to ensure the operation stability, the compressed air sent into the main heat exchanger 7 through the branch pipe 6b is not cooled excessively in the main heat exchanger 7 so that the compressed air is not excessively cooled. Some are used only for heat exchange, and most remain unused. Moreover, the main heat exchanger 7
The cold is most effectively recovered in the low temperature area where the return gas temperature is the lowest (lower area in FIG. 1), and the unused portion left in the low temperature area improves the cold recovery rate. It is a big obstacle. From such a point, the effective use of the unused low-temperature side region in the main heat exchanger 7 is extremely effective in improving the cold recovery rate.
A second benefit is that the pressure loss of the low pressure system in air separation is reduced, thereby increasing the power efficiency of air separation.

【0017】即ち空気分離法を実施するに当たっては、
空気圧縮機の動力が即当該装置の動力性能となり、該空
気圧縮機の出口圧力が低ければ低いほど空気圧縮機の動
力は小さくなって空気分離装置全体としての性能は向上
することが確認されている。そして空気圧縮機の出口圧
力を低下させるための手段として最も有効なのは、空気
分離装置における低圧系統、特に、前記図3に示した精
留塔上塔8cから過冷却器12、主熱交換器7およびモ
レキュラシーブ吸着器6を経て大気へ放出される排出側
ガスラインの圧力損失をできるだけ小さくすることであ
る。
That is, in carrying out the air separation method,
It has been confirmed that the power of the air compressor immediately becomes the power performance of the device, and the lower the outlet pressure of the air compressor, the lower the power of the air compressor and the performance of the air separation device as a whole improves. I have. The most effective means for lowering the outlet pressure of the air compressor is a low-pressure system in the air separation device, in particular, the supercooler 12, the main heat exchanger 7 from the upper tower 8c shown in FIG. And to reduce the pressure loss of the discharge gas line discharged to the atmosphere via the molecular sieve adsorber 6 as much as possible.

【0018】本発明者らが確認したところによると、該
排出側ラインの圧力を例えば0.1kg/cm2G 低減するこ
とは、空気圧縮機の出口圧力を約0.3kg/cm2G 低下さ
せることにつながる。これは、空気分離装置内に主凝縮
器8bが設けられており、ここで精留塔上塔底部の酸素
と下塔頂部の窒素との間で熱交換が行なわれ、ここで酸
素−窒素の各圧力下の沸点により、低圧系統の差圧が高
圧系統の差圧に関係してくるからである。
[0018] According to the present inventors have confirmed, that the pressure reducing for example 0.1 kg / cm 2 G of the outlet side line is about 0.3 kg / cm 2 G decreased outlet pressure of the air compressor Leads to In this, a main condenser 8b is provided in an air separation device, in which heat exchange is performed between oxygen at the bottom of the rectification column and nitrogen at the top of the bottom column, where oxygen-nitrogen is exchanged. This is because the differential pressure in the low-pressure system is related to the differential pressure in the high-pressure system due to the boiling point under each pressure.

【0019】たとえば精留塔上塔底部の酸素の沸点は、
約1.4kg/cm2A で−180℃であり、この酸素は、下
塔頂部における5.4kg/cm2A で−178.2℃の窒素
によって蒸発する(即ち、酸素は窒素によって蒸発し、
窒素は凝縮する)が、精留塔上塔底部の酸素の圧力が
0.1kg/cm2A 下がって約1.3kg/cm2A になると温度
は−180.7℃となり、下塔頂部における5.05kg
/cm2A で−179℃の窒素によって蒸発する。即ち、低
圧系統すなわち上塔からの出側圧力を0.1kg/cm2A 下
げれば、高圧系統すなわち下塔の入側圧力は0.35kg
/cm2A (5.4−5.05kg/cm2A )下がることにな
る。
For example, the boiling point of oxygen at the bottom of the rectification column is
At about 1.4 kg / cm 2 A and at -180 ° C., this oxygen evaporates with nitrogen at 5.4 kg / cm 2 A at the bottom of the column at 178.2 ° C. (ie oxygen evaporates with nitrogen ,
Nitrogen condenses), but when the pressure of oxygen at the bottom of the rectification column drops by 0.1 kg / cm 2 A to about 1.3 kg / cm 2 A, the temperature becomes −180.7 ° C. 5.05 kg
Evaporate with nitrogen at -179 ° C at / cm 2 A. That is, if the outlet pressure from the low pressure system, that is, the upper tower is reduced by 0.1 kg / cm 2 A, the inlet pressure of the high pressure system, that is, the lower tower, is 0.35 kg.
/ cm 2 A (5.4-5.05 kg / cm 2 A).

【0020】このことからも明らかである様に、空気分
離法を実施する際の空気圧縮機の出口圧力を小さくする
には、高圧系統(即ち、精留塔までの入側ライン)の圧
力を抑えるよりも、低圧系統(即ち、精留塔上塔からの
抜き出しライン)の圧力を抑える方が効果的であり、即
ち低圧系統の圧力損失を極力少なくすることが、空気分
離法を実施する際の動力低減に大きく寄与する。そし
て、上記低圧系統の抜き出しラインの中で最も圧力損失
の大きいのは、再生用加熱器29やモレキュラシーブ吸
着器6等をライン中に有する粗窒素ガス排出ライン20
であり、このラインの圧力損失を極力低減することが、
低圧系統の圧損低減に最も効果的となる。
As is clear from this, in order to reduce the outlet pressure of the air compressor when performing the air separation method, the pressure of the high-pressure system (that is, the inlet line to the rectification column) must be reduced. It is more effective to suppress the pressure of the low-pressure system (that is, the extraction line from the upper tower of the rectification column) than to suppress the pressure, that is, to reduce the pressure loss of the low-pressure system as much as possible when performing the air separation method. Greatly contributes to power reduction. The largest pressure loss among the extraction lines of the low pressure system is the crude nitrogen gas discharge line 20 having a regeneration heater 29, a molecular sieve adsorber 6, and the like in the line.
And it is possible to reduce the pressure loss of this line as much as possible.
This is most effective in reducing pressure loss in low-voltage systems.

【0021】この様なところから、主熱交換器の前記未
活用部へ分岐送給する戻りガスとしては粗窒素ガスを選
択するのが良く、該粗窒素ガスを上記未活用領域へ通す
ことにより排出流路面積を拡大してやれば、主熱交換器
の有効活用に加えて粗窒素ガス排出ラインの圧損低減も
図ることができ、一石二鳥の効果を得ることができるの
である。
From such a point, it is preferable to select crude nitrogen gas as the return gas to be branched and sent to the unused portion of the main heat exchanger. By passing the crude nitrogen gas through the unused region, If the area of the discharge passage is enlarged, the pressure loss of the crude nitrogen gas discharge line can be reduced in addition to the effective use of the main heat exchanger, and the effect of two birds per stone can be obtained.

【0022】図2は、上記本発明を実施する際に主熱交
換器7として用いられる熱交換ユニットUを例示する概
略見取り図であり、図2Aは、分岐流路6bから圧縮空
気が送り込まれ主熱交換器7の途中から抜き出される部
位の熱交換ユニットUを示している。従ってこの熱交換
ユニットUには、その高温側(図面の上側)からデスト
リビュータD1 を経てコルゲートフィンF配設部分に圧
縮空気が送り込まれ、これに隣接して配置される図示し
ない熱交換ユニット内を通過する戻りガスとの間で熱交
換が行なわれる。そして、膨張タービン(図1の符号
5)による断熱膨張に適した温度まで降温した後、その
途中に設けたデストリビュータD2 から前記膨張タービ
ン方向へ抜き出される。
FIG. 2 is a schematic plan view illustrating a heat exchange unit U used as the main heat exchanger 7 when the present invention is carried out. FIG. 2A is a schematic view in which compressed air is fed from the branch passage 6b. 3 shows a heat exchange unit U at a portion extracted from the middle of the heat exchanger 7. Therefore The heat exchange unit U, the high temperature side from the (upper drawing) via the distributor D 1 is compressed air in the corrugated fin F arranged partial fed, the heat exchange unit (not shown) disposed adjacent thereto Heat exchange is performed with the return gas passing through the inside. After the temperature was lowered to a temperature suitable for adiabatic expansion by (reference numeral 5 in FIG. 1) the expansion turbine is withdrawn from the distributor D 2 provided on the way to the expansion turbine direction.

【0023】従来例では、該抜き出し位置の下方側(即
ち低温側)は未活用のままで放置されているが、本発明
では、上記抜き出し位置の下方側(即ち、低温側)はデ
ストリビュータD3 で分断すると共に、該熱交換ユニッ
トUの最下部(即ち最低温部)に設けたデストリビュー
タD4 から、前述の如く抜き出し管路20から分岐して
抜き出された粗窒素ガスを送り込み、この部分でも窒素
ガスの保有する寒冷を熱交換によって回収できる様にし
ている。
In the conventional example, the lower side (ie, the low-temperature side) of the extraction position is left unused, but in the present invention, the lower side (ie, the low-temperature side) of the extraction position is the distributor D. while separated by 3, from the distributor D 4 provided at the bottom (i.e. lowest temperature portion) of the heat exchange unit U, fed a crude nitrogen gas withdrawn branched from extraction line 20 as described above, Even in this part, the cold held by the nitrogen gas can be recovered by heat exchange.

【0024】そして、デストリビュータD3 から抜き出
される粗窒素ガスは、当該主熱交換器の他の位置に積層
され抜き出し管路20の本管から粗窒素ガスが導入され
る熱交換ユニットに合流させて高温側へ送り出される。
即ち、該他の熱交換ユニットU’は、例えば図2Bに示
す様な構造を有しており、前記熱交換ユニットUのデス
トリビュータD4 に対応する位置に外部導入用デストリ
ビュータD5 を設け、このデストリビュータD5 から、
図2AのデストリビュータD3 から抜き出された粗窒素
ガスを導入することにより本流へ戻す様にしている。
The crude nitrogen gas extracted from the distributor D 3 is stacked at another position of the main heat exchanger and merges with the heat exchange unit into which the crude nitrogen gas is introduced from the main pipe of the extraction pipe 20. Then, it is sent to the high temperature side.
That is, the another heat exchange unit U 'has, for example, a such structure is shown in Figure 2B, the external introducer distributor D 5 is provided at a position corresponding to the distributor D 4 of the heat exchange unit U , from the distributor D 5,
And the manner back to the main stream by introducing the crude nitrogen gas withdrawn from the distributor D 3 in FIG. 2A.

【0025】なお、上記図2A,Bに示した熱交換ユニ
ットは、本発明を実施する際に用いられる代表的な熱交
換ユニットを例示したものであって勿論本発明を限定す
る性質のものではなく、分岐と合流をスムーズに行なえ
る構成のものであれば、用いる主熱交換器の形状・構造
等に応じて、図示した以外の様々の構造の熱交換ユニッ
トを採用することができ、それらはいずれも本発明の技
術的範囲に包含される。
The heat exchange units shown in FIGS. 2A and 2B are only examples of typical heat exchange units used in carrying out the present invention. In other words, as long as the configuration is such that branching and merging can be performed smoothly, heat exchange units having various structures other than those shown can be adopted depending on the shape and structure of the main heat exchanger used. Are all included in the technical scope of the present invention.

【0026】上記の様に本発明によれば、主熱交換器の
有効活用と共に抜き出しガスラインの圧損低減によって
空気分離装置全体としての動力低減を図ることができる
が、該主熱交換器における圧力損失を低減する為の更に
他の有効な手段として、該主熱交換器に設けられるデス
トリビュータの構造を改善することが挙げられる。以下
この点に付いて説明を加える。
As described above, according to the present invention, the power of the air separation apparatus as a whole can be reduced by effectively utilizing the main heat exchanger and reducing the pressure loss of the extraction gas line. Still another effective means for reducing the loss is to improve the structure of a distributor provided in the main heat exchanger. Hereinafter, this point will be described.

【0027】通常のデストリビュータは、入口部から入
った流体を、各ユニットにおける広幅で微細ピッチのコ
ルゲートフィンからなる熱交換部HEへ均等に分配させ
るために設けられるもので、通常のデストリビュータ
は、例えば図2等にも示した様にピッチの粗いコルゲー
ト板によって、流体を熱交換部の幅方向へ分配して導入
し、或は熱交換部の幅方向から流体を集めて排出できる
様に構成されている。
The ordinary distributor is provided to evenly distribute the fluid entering from the inlet to the heat exchange section HE composed of corrugated fins having a wide width and a fine pitch in each unit. For example, as shown in FIG. 2 etc., a fluid can be distributed and introduced in the width direction of the heat exchange section by a corrugated plate having a coarse pitch, or the fluid can be collected and discharged from the width direction of the heat exchange section. It is configured.

【0028】ところがこの様な従来の主熱交換器では、
各熱交換ユニットの特に出口側デストリビュータ部分で
流体の流れ方向が変更されると共に、熱交換部よりも流
路を狭められた状態で各流体が流れるため圧力損失の発
生が避けられない。
However, in such a conventional main heat exchanger,
The flow direction of the fluid is changed particularly at the outlet side distributor portion of each heat exchange unit, and each fluid flows in a state where the flow path is narrower than the heat exchange portion, so that a pressure loss is inevitable.

【0029】そこで、この様なコルゲートフィン型熱交
換器のデストリビュータ部で生じる圧力損失も可及的に
低減すべく更に研究を行なったところ、該デストリビュ
ータとして、各プレートの間に、流体の通過空間を残し
て複数本の支柱を適宜間隔で組み付けた構造のものを使
用すれば、該デストリビュータ部での圧力損失をより効
果的に低減し得ることが確認された。
Therefore, further research was conducted to reduce the pressure loss generated in the distributor portion of such a corrugated fin heat exchanger as much as possible. It has been confirmed that the pressure loss in the distributor portion can be more effectively reduced by using a structure in which a plurality of columns are assembled at appropriate intervals while leaving a passage space.

【0030】即ち、コルゲートフィン型熱交換器内に設
けられる通常のデストリビュータは、前述の如く熱交換
器の入口部から入った流体を、各ユニットにおける広幅
で微細ピッチのコルゲートフィンからなる熱交換部へ均
等に分配させるために必須と考えられている。そしてそ
の構成としては、例えば前記図2等にも示す如くプレー
トの間にピッチの粗いコルゲート板を挟み込んで組み付
けた構造のものが用いられており、このタイプのデスト
リビュータでは、前述の如くこの部分で圧力損失を生じ
ることが避けられない。
That is, the ordinary distributor provided in the corrugated fin type heat exchanger, as described above, converts the fluid entering from the inlet of the heat exchanger into a heat exchange formed of corrugated fins having a wide width and a fine pitch in each unit. It is considered indispensable to distribute evenly to departments. For example, as shown in FIG. 2 and the like, a structure in which a corrugated plate having a coarse pitch is sandwiched between plates and assembled is used. It is inevitable that pressure loss will occur.

【0031】ところが本発明者等が種々検討を重ねたと
ころによると、該デストリビュータでは、その流体流れ
方向にある程度の長さを確保してやれば、内部にコルゲ
ート板を配置せずともプレートの間を単に中空状態にし
ておくだけで流体は十分に分配することが確認された。
但し、デストリビュータを取り付けた熱交換ユニットを
多数重ね合わせ熱交換器として組付ける際には、該デス
トリビュータを構成するプレート間に大きな締め付け力
が作用するので、該締め付け力に耐え得るだけの耐圧強
度を確保することが必須となる。
However, the inventors of the present invention have conducted various studies and found that in the distributor, if a certain length is secured in the fluid flow direction, the gap between the plates can be maintained without disposing a corrugated plate inside. It was confirmed that the fluid was sufficiently distributed only by keeping the hollow state.
However, when assembling a heat exchanger with a large number of heat exchange units to which the distributor is attached, a large clamping force acts between the plates constituting the distributor, so that a pressure resistance sufficient to withstand the clamping force is applied. It is essential to ensure strength.

【0032】即ちデストリビュータは、流体の通過空間
を十分に確保するという前提のもとでは、流体分配機能
よりもむしろ耐圧強度に主眼をおいて設計するのが有効
と考えられる。ところが、従来のコルゲート板をプレー
トに挟み込んだタイプのデストリビュータでは、該コル
ゲート板の耐圧強度が十分でないため、そのピッチを大
きめにして通過抵抗を下げるにしても自ずと限界があ
り、その結果として、該コルゲート板の部分でかなりの
圧力損失を生じていたのである。
That is, it is considered effective to design the distributor focusing on the pressure resistance rather than the fluid distribution function, on the premise that a sufficient fluid passage space is secured. However, in a conventional distributor in which a corrugated plate is sandwiched between plates, the pressure resistance of the corrugated plate is not sufficient. A considerable pressure loss occurred in the corrugated plate.

【0033】しかしながら、デストリビュータの構造
を、特に組付け時に必要となるプレート間の耐圧強度向
上に主眼をおいて考えると、例えば図4に示す如くプレ
ートP,P間に任意の間隔で支柱Sを組み付け、該支柱
Sによって組付け時の拘束力に十分耐え得る耐圧強度を
確保するだけで十分であることが分かった。即ちこの支
柱Sは、その両端に配置されるプレートP,Pの間で梁
としての機能を果たし、図面の上下方向からかかる拘束
力を十分に支持し得るのである。そしてこの様な支柱
は、従来のコルゲート板に比べると優れた耐圧強度を有
しているので、その取付け間隔を十分に広く取ることが
でき、即ち流体の通過空間を十分に広く取ることがで
き、その結果として、デストリビュータ部分での圧力損
失を可及的に抑えることができるのである。
However, considering the structure of the distributor with a particular emphasis on the improvement of the pressure resistance between the plates required during assembly, for example, as shown in FIG. It was found that it was sufficient to secure the pressure resistance sufficient to withstand the restraining force at the time of assembly by the support posts S. That is, the support S functions as a beam between the plates P disposed at both ends thereof, and can sufficiently support the restraining force applied in the vertical direction of the drawing. And since such a pillar has a superior pressure resistance compared with the conventional corrugated plate, it is possible to take a sufficiently large mounting interval, that is, it is possible to take a sufficiently large fluid passage space. As a result, the pressure loss at the distributor portion can be suppressed as much as possible.

【0034】ここで用いられる支柱Sは、要するにプレ
ートP,Pの間に適宜間隔で組み付けて耐圧強度を与え
るものであり、該支柱Sの形状や構造はどの様なもので
あってもよく、流体の通過空間を確保するという意味か
らすると断面が丸棒状や矩形状等の棒状の支柱として組
み付けることが有効であるが、その様な支柱ではその両
端をプレートP,P間にロウ付けなどによって接合する
作業が極めて煩雑となり、製作費用が嵩むばかりでなく
大量生産も困難となる。従って製作コストや生産性など
を考慮すると、例えば図4に示した様な板状の支柱Sを
使用し、これをプレートP,Pの間にロウ付けなど公知
の手段で組み付けるのが有利である。このとき、図5に
示す如く一方のプレートPと板状の支柱Sを引抜き成形
法等によって一体成形する方法を採用し、該支柱Sの他
端側に他のプレートPを接合する方法を採用すれば、支
柱Sを組み付ける際の位置決めや位置固定等も極めて簡
単に行なうことができるので、この様な構造のものは製
作の容易性なども踏まえて最も実用性の高いものといえ
る。
The struts S used here are, in short, assembled at appropriate intervals between the plates P, P to provide pressure resistance, and the struts S may have any shape and structure. In terms of securing the passage space for fluid, it is effective to assemble it as a rod-shaped support with a cross section of a round bar or a rectangular shape. However, in such a support, both ends of the support are brazed between the plates P and P. The joining operation becomes extremely complicated, which not only increases the production cost but also makes mass production difficult. Therefore, in consideration of manufacturing cost and productivity, for example, it is advantageous to use a plate-shaped support S as shown in FIG. 4 and assemble it between the plates P, P by known means such as brazing. . At this time, as shown in FIG. 5, a method of integrally forming one plate P and a plate-shaped support S by a drawing method or the like, and a method of joining another plate P to the other end of the support S are employed. Then, the positioning and fixing of the column S can be performed very easily, so that such a structure can be said to be the most practical one in view of the easiness of manufacture.

【0035】但しこれらの例では、前述の如く支柱によ
ってプレート間の耐圧強度を高めるところに特徴を有す
るものであるから、支柱の具体的な形状や構造は制限的
でなく、棒状など他の形状・構造の支柱を用いることも
勿論可能である。また板状の支柱を用いる場合、該板状
支柱は直線状の他、例えば図6に示す如く流体流れ方向
に湾曲させて流れ抵抗を小さくしたり、あるいは図7に
示す様に任意形状、任意サイズ、任意数の穴Wを明け、
該穴Wを通して流体が相互に分流できる様にすることも
可能である。
However, in these examples, the feature is that the pressure resistance between the plates is increased by the columns as described above, so the specific shape and structure of the columns are not limited, and other shapes such as a rod shape may be used. -Of course, it is also possible to use a structural support. When a plate-shaped support is used, the plate-shaped support is not only linear, but also curved in the fluid flow direction as shown in FIG. 6 to reduce the flow resistance, or as shown in FIG. Drill an arbitrary number of holes W,
It is also possible to allow the fluids to diverge from one another through the holes W.

【0036】またこれら支柱Sの取り付け間隔は、求め
られる耐圧強度を確保できる限度でできるだけ広くする
方が圧損低減に有利であるが、本発明者等が確認したと
ころによると、圧損低減効果を有効に発揮させるには、
適用される熱交換ユニットにおける熱交換部を構成する
コルゲートフィンのフィンピッチに対して3〜15倍程
度の間隔で板状支柱を組み付ければ、当該熱交換ユニッ
トにおける圧力損失を十分に低減できることが分かっ
た。しかして、該組付け間隔が15倍を超えて過度に広
くなると、耐圧強度が不足気味になったり或は支柱を過
度に太くしなければならなくなり、一方支柱の取付け間
隔が3倍未満では、耐圧強度は十分に高められる反面、
満足のいく圧損低減効果が得られ難くなるからである。
Although it is advantageous to reduce the pressure loss, it is advantageous to make the mounting interval of the columns S as wide as possible as long as the required pressure-resistant strength can be ensured. However, the present inventors have confirmed that the effect of reducing the pressure loss is effective. In order to demonstrate
If the plate-like supports are assembled at intervals of about 3 to 15 times the fin pitch of the corrugated fins constituting the heat exchange unit in the applied heat exchange unit, it is possible to sufficiently reduce the pressure loss in the heat exchange unit. Do you get it. Thus, if the installation interval is excessively wide exceeding 15 times, the pressure resistance strength tends to be insufficient or the support must be excessively thick. On the other hand, if the support installation interval is less than 3 times, While the compressive strength can be increased sufficiently,
This is because it is difficult to obtain a satisfactory pressure loss reducing effect.

【0037】ちなみに、コルゲートフィン型熱交換器に
おける設計圧力とピッチと板厚の関係は下記式で表わす
ことができ、 tp =Pt √(P/200σa) tp :セパレートシートの板厚、Pt :ピッチ、P:圧
力、σa:材料の許容応力(通常のAl合金は2.3) 熱交換器用コルゲートフィンに用いられるシートの板厚
は通常1mm、σaは2.3であるから、例えば設計圧
力を1.0kg/cm2 GとしたときのピッチP t を上
記式から求めると Pt =tp /√(P/200σa)=1.0/√(1.
0/200・2.3)=21.4mm となる。
Incidentally, the corrugated fin type heat exchanger
The relationship between design pressure, pitch and plate thickness in the following equation
Can be tp = Pt √ (P / 200σa) tp : Separate sheet thickness, Pt : Pitch, P: Pressure
Force, σa: allowable stress of material (normal Al alloy is 2.3) Sheet thickness used for corrugated fin for heat exchanger
Is usually 1 mm and σa is 2.3.
Force 1.0kg / cmTwo Pitch P when G t On
From the notation, Pt = Tp /√(P/200σa)=1.0/√(1.
0/200 · 2.3) = 21.4 mm.

【0038】一方、熱交換ユニットをロウ付けで組み付
ける時の荷重に耐える強度を確保するには、下記式によ
って算出される耐座屈強度(Pcr)を満たすものでなけ
ればならない。 座屈強度(Pcr)=4π2 EI/l2 、 I=tl3 /12 (式中、E:弾性係数、I:断面2次モーメント、l:
フィン高さt:フィン板厚をそれぞれ表わす) いま、同一素材からなり、同一フィン高さで板厚の異な
る2種のコルゲートフィン(従ってEとlは同一)につ
いて、夫々の座屈強度PCr1 ,PCr2 の計算式を求める
と、下記式の様になり、 フィン板厚がt1 のとき:PCr1 =[4π2・E・(t1・l3/1
2)/l3)] フィン板厚がt2 のとき:PCr2 =[4π2・E・(t2・l3/1
2)/l3)] 上記式より、 PCr1 /PCr2 =t1 /t2 が導かれる。また、同一の座屈強度を確保するという条
件の下では、フィンピッチ(P)とフィン板厚(t)の
間にはほぼ比例関係があるので、 t1 /t2 =Pt1/Pt2 の式が成立する。
On the other hand, in order to secure the strength to withstand the load when the heat exchange unit is assembled by brazing, it must satisfy the buckling resistance (P cr ) calculated by the following equation. During buckling strength (P cr) = 4π 2 EI / l 2, I = tl 3/12 ( wherein, E: elastic modulus, I: sectional secondary moment, l:
Fin height t: Represents the fin plate thickness) Now, for two kinds of corrugated fins of the same material but of the same fin height and different plate thicknesses (therefore, E and l are the same), the respective buckling strengths P Cr1 when determining the calculation formula P Cr2, it becomes as the following equation, when the fin thickness is t 1: P Cr1 = [4π 2 · E · (t 1 · l 3/1
2) / l 3)] When the fin thickness is t 2: P Cr2 = [4π 2 · E · (t 2 · l 3/1
Than 2) / l 3)] the above equation, P Cr1 / P Cr2 = t 1 / t 2 is derived. Further, under the condition that the same buckling strength is ensured, there is a substantially proportional relationship between the fin pitch (P) and the fin plate thickness (t), so that t 1 / t 2 = P t1 / P t2 Holds.

【0039】そして、たとえば空気分離器用主熱交換器
のコルゲートフィンとして一般的に用いられる4.2m
mピッチのフィンの板厚は0.4mmであり、前述の如
く板厚が1mmの場合の設計フィンピッチは21.4m
mであるから、これらの値を前記式に代入し、組み付け
時の負荷に耐える座屈強度を得る為のフィン板厚さを求
めると、 4.2/0.4=21.4/t、即ち、t≒2mm が導かれる。その結果、21.4ピッチでフィン厚さは
2mmとなるが、これは、4.2ピッチでフィン厚さが
0.4mmであるものよりも流路面積を大きく確保する
ことが可能となる。
Then, for example, 4.2 m generally used as a corrugated fin of a main heat exchanger for an air separator.
The thickness of the m-pitch fin is 0.4 mm, and the design fin pitch is 21.4 m when the thickness is 1 mm as described above.
m, these values are substituted into the above equation to determine the fin plate thickness for obtaining the buckling strength that can withstand the load at the time of assembling: 4.2 / 0.4 = 21.4 / t, That is, t ≒ 2 mm is derived. As a result, the fin thickness is 2 mm at the 21.4 pitch, but it is possible to secure a larger flow path area than that of the fin thickness of 0.4 mm at the 4.2 pitch.

【0040】一方、熱交換器用として用いられる通常の
コルゲートフィンのフィンピッチはMax:4.2m
m,Min:1.4mmであるから、これらの値を考慮
してロウ付け時の荷重に耐える座屈強度を、デストリビ
ュータに設けられる補強用支柱によって確保するため
の、該補強用支柱の好適取付け間隔を求めると、最小値
は上記フィンピッチのMax/min比、即ち4.2/
1.4(=3倍)となり、最大値は、上記コルゲートフ
ィンピッチのMin値(1.4)に対する前記設定フィ
ンピッチ(即ち21.4)に対する比(即ち、21.4
/1.4=15倍)となり、 補強用支柱の好ましい最小ピッチ間隔=4.2/1.4
=3倍、 補強用支柱の好ましい最大ピッチ間隔=21.4/1.
4=15倍、 が導かれる。即ち、デストリビュータ部分における補強
用支柱の取付け間隔は、熱交換部におけるフィンピッチ
に対し3〜15倍の間隔とすることにより、流体の流れ
を疎外することなく十分な座屈強度を確保し得ることに
なる。
On the other hand, the fin pitch of a normal corrugated fin used for a heat exchanger is Max: 4.2 m.
Since m and Min are 1.4 mm, considering these values, it is preferable to use the reinforcing column for securing the buckling strength against the load at the time of brazing by the reinforcing column provided in the distributor. When the mounting interval is determined, the minimum value is the Max / min ratio of the fin pitch, that is, 4.2 /
1.4 (= 3 times), and the maximum value is the ratio (ie, 21.4) of the corrugated fin pitch to the set fin pitch (ie, 21.4) with respect to the Min value (1.4).
/1.4=15 times), and the preferable minimum pitch interval of the reinforcing columns = 4.2 / 1.4.
= 3 times, preferred maximum pitch spacing of reinforcement columns = 21.4 / 1.
4 = 15 times. That is, by setting the mounting interval of the reinforcing columns in the distributor portion to be 3 to 15 times the fin pitch in the heat exchange section, sufficient buckling strength can be secured without alienating the fluid flow. Will be.

【0041】本発明では、前述の如く主熱交換器の戻り
ガス流路を工夫し、あるいは上記の様に、更に該熱交換
器を構成するデストリビュータの構造を改善することに
よって低圧ラインの圧損低減を図り、それにより空気圧
縮機の動力を低減するところに特徴があり、こうした特
徴は、図3に示した様な空気分離装置に対しても有効に
発揮させることができるが、空気分離装置に以下に示す
様な構成を付加し、それにより圧損低減を更に増進した
り、或は更に他の効果を得ることも可能である。
In the present invention, the pressure loss of the low-pressure line is reduced by devising the return gas flow path of the main heat exchanger as described above, or by further improving the structure of the distributor constituting the heat exchanger as described above. The feature is to reduce the power of the air compressor, thereby reducing the power of the air compressor. Such a feature can be effectively exerted even for an air separation device as shown in FIG. In addition, it is possible to further increase the pressure loss reduction or to obtain other effects by adding a configuration as described below.

【0042】例えば図8は、上記主熱交換器が設けられ
る空気分離装置の他の例を示す一部説明図であり、精留
塔上塔と下塔の周辺のみを示しており、その他の部分は
前記図3の例と同様と考えればよい。
For example, FIG. 8 is a partial explanatory view showing another example of the air separation device provided with the main heat exchanger, and shows only the vicinity of the upper and lower rectification towers. The portion may be considered to be the same as in the example of FIG.

【0043】前記図3の例では、精留塔上塔8c底部の
液体酸素の加熱に、下塔8a頂部に粗分離される窒素ガ
スを利用し、該液体酸素の液面の上部側壁から抜き出さ
れる酸素リッチガスをライン17から製品酸素ガスとし
て取り出している。
In the example shown in FIG. 3, the nitrogen gas roughly separated at the top of the lower column 8a is used to heat the liquid oxygen at the bottom of the upper column 8c of the rectification column, and the liquid oxygen is extracted from the upper side wall of the liquid level. The outputted oxygen-rich gas is taken out from the line 17 as product oxygen gas.

【0044】これに対し本例では、図8に示す如く、精
留塔上塔8c底部の液体空気をライン30から液体のま
まで抜き出して蒸発器31へ導入する。該蒸発器31に
は加熱用熱交換器32が内装されており、この加熱用熱
交換器32には、主熱交換器7で冷却されてから精留塔
下塔8aへ供給される圧縮空気の一部が分岐して供給さ
れる様に構成されている。そして、精留塔上塔8cから
抜き出された液体酸素を蒸発器31で加熱することによ
って蒸発させ、ライン33から前記と同様に主熱交換器
7で寒冷を回収してから製品酸素ガスとして抜き出す一
方、加熱用熱交換器32で蒸発エネルギーを与えて冷却
された圧縮空気は、精留塔下塔8aの下部へ送給され
る。この方法を採用することによってもたらされる利益
としては、下記〜が挙げられる。
On the other hand, in the present embodiment, as shown in FIG. 8, the liquid air at the bottom of the upper rectification column 8c is withdrawn as liquid from the line 30 and introduced into the evaporator 31. The evaporator 31 includes a heating heat exchanger 32 therein. The heating heat exchanger 32 is provided with compressed air that is cooled by the main heat exchanger 7 and then supplied to the rectification lower tower 8a. It is configured so that a part is supplied in a branched manner. Then, the liquid oxygen extracted from the upper rectification tower 8c is evaporated by heating it in the evaporator 31, and the cold is recovered from the line 33 in the main heat exchanger 7 in the same manner as described above, and then the product oxygen gas is produced. On the other hand, the compressed air that has been extracted and given cooling energy by the heating heat exchanger 32 is sent to the lower part of the lower tower 8a. Benefits brought by adopting this method include the following.

【0045】製品酸素ガスの圧力を増大できる。即
ち、図示する如く蒸発器31を精留塔上塔8cにおける
液体酸素の液面Lよりも下方に設けた場合、蒸発器31
における液体酸素の液面L1 は上記液面Lよりも下方と
なり、該蒸発器31へ供給される液体酸素の圧力は、上
塔8c内における液体酸素の液面Lと蒸発器31内にお
ける液体酸素の液面L1 との液頭差(ヘッド差)Hdに
相当する分だけ高くなる。そして該圧力上昇分だけ沸点
は上昇するが、該蒸発器31内の加熱用熱交換器32に
は、精留塔上塔8cの主凝縮器8bへ供給される粗窒素
ガスよりも高温の圧縮空気が分岐送給されているので、
該蒸発器31内の液体空気は圧力上昇にも拘らず蒸発に
充分な熱を受けて蒸発する。そして、蒸発する酸素ガス
の圧力は上記液頭差(ヘッド差)Hd分だけ高圧の状態
で抜き出されることになる。一般に製品酸素ガスは圧縮
機で加圧して製品化されるが、抜き出しラインの最終段
階で圧縮機に通して加圧されるため、この部分で酸素ガ
スの圧力が高められることは、該圧縮機の昇圧エネルギ
ーを低減できることにつながり、設備全体としての動力
低減に寄与できる。
The pressure of the product oxygen gas can be increased. That is, as shown, when the evaporator 31 is provided below the liquid oxygen level L in the upper rectification tower 8c, the evaporator 31
Becomes lower than the liquid level L 1 of the liquid oxygen is the liquid surface L in the pressure of the liquid oxygen supplied to the evaporator 31, the liquid in the liquid level L of the liquid oxygen in the upper column 8c evaporator 31 liquid head difference between the liquid level L 1 of oxygen becomes higher by an amount corresponding to a (head difference) Hd. Although the boiling point rises by the pressure rise, the heating heat exchanger 32 in the evaporator 31 is compressed at a higher temperature than the crude nitrogen gas supplied to the main condenser 8b of the upper rectification tower 8c. Since the air is diverted and sent,
The liquid air in the evaporator 31 receives sufficient heat for evaporation and evaporates despite the pressure rise. Then, the pressure of the evaporating oxygen gas is withdrawn at a high pressure corresponding to the liquid head difference (head difference) Hd. In general, product oxygen gas is pressurized by a compressor to produce a product. However, since the product oxygen gas is pressurized through a compressor in the final stage of the extraction line, the pressure of the oxygen gas is increased in this portion. Can be reduced, which can contribute to a reduction in power of the entire equipment.

【0046】製品酸素ガスの純度アップが図れる。即
ち前記図3に示した如く、精留塔上塔8cにおける液体
酸素の液面よりもやや上方から酸素ガスを抜き出す場
合、上塔8c内での気液平衡から、酸素ガスの純度を液
体酸素の純度以上に高めることは不可能であり、例えば
液体酸素の酸素濃度が90%である場合は、抜き出され
る酸素ガスの純度は87〜88%程度とならざるを得な
い。ところが、本例の様に上塔8c底部の液体酸素を液
体状態のままで蒸発器31に抜き出してから加熱蒸発さ
せる方法を採用し、蒸発器31における圧力を温度を適
正に制御すると、上塔8c底部の液体酸素純度を維持し
た酸素ガスを製品ガスとして抜き出すことが可能とな
る。即ち、蒸発器31内の温度圧力条件を制御し、最初
に揮発する窒素含量の高いガスを放出させることによっ
て気相の酸素濃度が入側(即ち上塔8c内から送られて
くる)液体酸素と同じ濃度となる気液平衡状態(例えば
気相の酸素濃度が90%、液相の酸素濃度が92%)を
確保し、この状態を維持しながら、液体酸素の導入と気
体酸素の抜き出しを連続的に行うと、90%濃度の酸素
ガスを製品ガスとして連続的に得ることが可能となる。
The purity of the product oxygen gas can be increased. That is, as shown in FIG. 3, when the oxygen gas is extracted from slightly above the liquid level of the liquid oxygen in the upper tower 8c of the rectification tower, the purity of the oxygen gas is determined based on the gas-liquid equilibrium in the upper tower 8c. It is impossible to increase the purity of the oxygen gas to more than 90%. For example, when the oxygen concentration of the liquid oxygen is 90%, the purity of the extracted oxygen gas must be about 87 to 88%. However, as in the present example, a method is employed in which liquid oxygen at the bottom of the upper tower 8c is extracted in a liquid state to the evaporator 31 and then heated and evaporated. It becomes possible to extract the oxygen gas maintaining the liquid oxygen purity at the bottom of 8c as the product gas. That is, the temperature and pressure conditions in the evaporator 31 are controlled, and a gas having a high nitrogen content that is first volatilized is released, so that the oxygen concentration in the gaseous phase becomes higher than that of the liquid oxygen (ie, sent from the upper column 8c). A gas-liquid equilibrium state (for example, a gas phase oxygen concentration of 90% and a liquid phase oxygen concentration of 92%) is obtained, and the liquid oxygen is introduced and the gas oxygen is extracted while maintaining this state. If it is performed continuously, it becomes possible to continuously obtain a 90% concentration oxygen gas as a product gas.

【0047】精留塔下塔8aへの圧縮空気の導入圧力
の低減、即ち原料空気圧縮器の動力低減が可能となる。
即ち上記で説明した様に、蒸発器31を併設した操業
によって製品酸素ガスの純度が高められるということ
は、精留塔上塔8cの底部に溜る液体酸素の純度を相対
的に下げ得ることを意味しており、当該液体酸素の純度
が低くなるとその沸点は低下し、より低温で蒸発可能と
なる。従って、該上塔8c内の液体酸素を蒸発させるた
めの加熱源となる窒素ガス(下塔8aの頂部から主凝縮
器8bへ送り込まれるガス)についても、より低圧(低
圧になると、窒素の凝縮する温度は低くなる)で操業す
ることができるようになる。その結果、下塔8aの圧力
を低めに設定した操業が可能となり、ひいては原料空気
圧縮機の動力低減に寄与することができる。
It is possible to reduce the pressure for introducing the compressed air into the lower tower 8a, that is, to reduce the power of the raw material air compressor.
That is, as described above, the fact that the purity of the product oxygen gas is increased by the operation with the evaporator 31 provided means that the purity of the liquid oxygen stored at the bottom of the upper rectification column 8c can be relatively reduced. In other words, the lower the purity of the liquid oxygen is, the lower its boiling point is, and it is possible to evaporate at a lower temperature. Accordingly, the nitrogen gas (gas sent from the top of the lower column 8a to the main condenser 8b) serving as a heating source for evaporating the liquid oxygen in the upper column 8c also has a lower pressure (the lower the pressure, the lower the condensation of nitrogen). Operating temperature will be lower). As a result, an operation in which the pressure of the lower tower 8a is set to be lower becomes possible, and it is possible to contribute to a reduction in power of the raw material air compressor.

【0048】尚上記構成は、本発明を実施する際に付随
的に加えることのできる好ましい構成を説明したもので
あり、本発明では、前述の如く主熱交換器における未活
用部分に戻りガスを分岐して通過させることにより、主
熱交換器の保有能力を最大限有効に活用できる様にした
ところに最大の特徴を有するものであるから、その余の
構成、例えば主熱交換器を構成する熱交換ユニットの具
体的構造や組付け構造、更にはその他の機器、例えば空
気圧縮機、冷却器、吸着器、精留塔上・下塔などの構成
やそれらの配管・接続構造等は特に制限的でなく、この
種の空気分離装置に適用される機器や配管・接続法など
を適宜に選択して適用することができ、例えば吸着器と
しては、モレキュラシーブ吸着器の他、空気中に含まれ
る不純成分(水分、炭酸ガス、炭化水素ガス等)を除去
し得る機能を備えたものであれば他の吸着器を使用する
ことも勿論可能であり、また精留塔については、従来の
棚段式精留塔はもとより、ラシヒリング、ポールリン
グ、バールサドル、インタクロスサドルその他の構造充
填材を充填して圧力損失の低減を図った精留塔などにも
勿論有効に活用することができる。
The above-described configuration is a description of a preferred configuration that can be added as an additional feature when the present invention is carried out. In the present invention, as described above, return gas is returned to an unused portion of the main heat exchanger. By branching and passing, it has the greatest feature in that the holding capacity of the main heat exchanger can be utilized most effectively, so the remaining configuration, for example, the main heat exchanger is configured The specific structure and assembling structure of the heat exchange unit, as well as other equipment such as air compressors, coolers, adsorbers, the upper and lower rectification towers, and their piping and connection structures are particularly limited. Instead, it is possible to appropriately select and apply equipment and piping / connection methods applied to this type of air separation device. For example, as an adsorber, in addition to a molecular sieve adsorber, it is included in air. Impurities (moisture It is of course possible to use other adsorbers as long as they have a function of removing carbon dioxide gas, hydrocarbon gas, etc.). Of course, the present invention can also be effectively used for a rectification column in which a Raschig ring, a pole ring, a bar saddle, an intercross saddle, and other structural fillers are filled to reduce pressure loss.

【0049】[0049]

【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、主
熱交換器における未活用のままで放置されていた部分を
戻りガスの寒冷回収に有効に活用することができ、設備
全体としてのエネルギーロスを低減することができる。
また未活用部の活用に用いる戻りガスとして粗窒素ガス
を選択すれば、該粗窒素ガスの主熱交換器の部分での圧
力損失を抑えることができ、空気分離のための動力低減
にも寄与することができるので好ましい。
The present invention is configured as described above, and the part of the main heat exchanger that has been left unused can be effectively used for the cold recovery of the return gas. Energy loss can be reduced.
In addition, if crude nitrogen gas is selected as the return gas used in the unused part, the pressure loss of the crude nitrogen gas in the main heat exchanger can be suppressed, and power consumption for air separation can be reduced. Is preferred.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係る空気分離法および装置の特徴的部
分を抜粋して示す要部フロー図である。
FIG. 1 is a main part flowchart showing an excerpt of a characteristic part of an air separation method and apparatus according to the present invention.

【図2】本発明を実施する際の主熱交換器に用いられる
熱交換ユニットの構造を例示する概略平面図である。
FIG. 2 is a schematic plan view illustrating the structure of a heat exchange unit used in a main heat exchanger when implementing the present invention.

【図3】従来の空気分離法および装置を説明するための
全体フロー図である。
FIG. 3 is an overall flowchart for explaining a conventional air separation method and apparatus.

【図4】本発明を実施する際に、主熱交換器の熱交換ユ
ニットに好ましく設けられるデストリビュータの構造を
例示する一部断面見取り図である。
FIG. 4 is a schematic partial cross-sectional view illustrating the structure of a distributor preferably provided in a heat exchange unit of a main heat exchanger when carrying out the present invention.

【図5】本発明を実施する際に、主熱交換器の熱交換ユ
ニットに好ましく設けられる他のデストリビュータの構
造を例示する一部断面見取り図である。
FIG. 5 is a partial cross-sectional view illustrating the structure of another distributor preferably provided in the heat exchange unit of the main heat exchanger when carrying out the present invention.

【図6】本発明を実施する際に、主熱交換器の熱交換ユ
ニットに好ましく設けられる更に他のデストリビュータ
の構造を例示する一部断面見取り図である。
FIG. 6 is a partial cross-sectional view illustrating the structure of still another distributor preferably provided in the heat exchange unit of the main heat exchanger when carrying out the present invention.

【図7】本発明を実施する際に、主熱交換器の熱交換ユ
ニットに好ましく設けられる更に他のデストリビュータ
の構造を例示する一部断面見取り図である。
FIG. 7 is a partial cross-sectional view illustrating the structure of still another distributor preferably provided in the heat exchange unit of the main heat exchanger when carrying out the present invention.

【図8】本発明で好ましく採用される空気分離法および
装置の特徴的部分を抜粋して示す要部フロー図である。
FIG. 8 is an essential part flow diagram showing an excerpted portion of a characteristic part of an air separation method and apparatus preferably adopted in the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 エアフィルタ 2 原料空気圧縮機 3 冷却器 4 蒸発クーラ− 5 膨張タービン 6 モレキュラシーブ吸着器 7 主熱交換器 8 精留塔 8a 下塔 8b 主凝縮器 8c 上塔 9 窒素リッチ液 10 酸素リッチ液 29 再生用加熱器 31 蒸発器 32 加熱用熱交換器 U,U’ 熱交換ユニット D1 ,D2 ,D3 ,D4 ,D5 デストリビュータ F コルゲートフィン P プレート S 支柱DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Air filter 2 Raw material air compressor 3 Cooler 4 Evaporative cooler 5 Expansion turbine 6 Molecular sieve adsorber 7 Main heat exchanger 8 Rectification tower 8a Lower tower 8b Main condenser 8c Upper tower 9 Nitrogen rich liquid 10 Oxygen rich liquid 29 regeneration heater 31 vaporizer 32 heating heat exchanger U, U 'heat exchange unit D 1, D 2, D 3 , D 4, D 5 distributor F corrugated fin P plate S strut

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 予冷された圧縮空気を主熱交換器を経て
精留塔へ供給し、精留塔からの戻りガスを前記主熱交換
器に通して前記圧縮空気の冷却に利用すると共に、前記
主熱交換器を流れる前記圧縮空気の一部を該主熱交換器
の途中から抜き出し、断熱膨張させてから精留塔上塔へ
供給する空気分離方法において、前記主熱交換器におけ
る前記途中からの圧縮空気抜き出し位置よりも低温側の
ラインを、前記戻りガスの通過ラインとして利用するこ
とにより、該戻りガスの熱交換利用率を高めることを特
徴とする空気分離方法。
1. A pre-cooled compressed air is supplied to a rectification tower through a main heat exchanger, and a return gas from the rectification tower is passed through the main heat exchanger to be used for cooling the compressed air. In the air separation method, a part of the compressed air flowing through the main heat exchanger is withdrawn from the middle of the main heat exchanger, adiabatically expanded, and then supplied to the upper tower of the rectification column. An air separation method, wherein a line on a lower temperature side than a position for extracting compressed air from is used as a return gas passage line, thereby increasing a heat exchange utilization rate of the return gas.
【請求項2】 予冷された圧縮空気を主熱交換器を経て
精留塔へ供給し、精留塔からの戻りガスを前記主熱交換
器に通して前記圧縮空気の冷却に利用すると共に、前記
主熱交換器を流れる前記圧縮空気の一部を該主熱交換器
の途中から抜き出し、断熱膨張させてから精留塔上塔へ
供給する様にした空気分離装置において、前記戻りガス
流路を分岐させ、前記主熱交換器における前記途中から
の圧縮空気抜き出し位置よりも低温側に前記戻りガスラ
インを形成すると共に、その高温側で主熱交換器の他の
戻りガスラインに合流させてなることを特徴とする空気
分離装置。
2. A pre-cooled compressed air is supplied to a rectification tower through a main heat exchanger, and a return gas from the rectification tower is passed through the main heat exchanger and used for cooling the compressed air. In the air separation device, a part of the compressed air flowing through the main heat exchanger is withdrawn from the middle of the main heat exchanger, adiabatically expanded, and then supplied to the upper tower of the rectification column. To form the return gas line at a lower temperature side than the compressed air extraction position in the middle of the main heat exchanger, and join the other return gas line of the main heat exchanger at the high temperature side. An air separation device, comprising:
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