JPH11118350A - 空気分離方法および空気分離システム - Google Patents

空気分離方法および空気分離システム

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JPH11118350A
JPH11118350A JP9303629A JP30362997A JPH11118350A JP H11118350 A JPH11118350 A JP H11118350A JP 9303629 A JP9303629 A JP 9303629A JP 30362997 A JP30362997 A JP 30362997A JP H11118350 A JPH11118350 A JP H11118350A
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gas
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storage tank
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浩 山本
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Iwatani International Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 空気分離により窒素や酸素を製造するに当た
り、貯槽やタンクローリーから製品ガスが無駄に捨てら
れることをなくして生産性を従来よりも高めるととも
に、空気圧縮機の消費電力を削減する。 【解決手段】 空気圧縮機１１で圧縮した原料空気から
精留塔１８において分離された窒素が一旦貯槽３０に蓄
えられた後タンクローリー３４に充填される。貯槽３０
の圧力が一定値を超えたときに大気放出すべく貯槽３０
から排出される窒素ガスを、空気分離装置１０で窒素が
製造されているときには、配管３９を経て空気圧縮機１
１の入口に戻す。また、貯槽３０からタンクローリー３
４への窒素の充填時に大気放出すべくタンクローリー３
４から排出される窒素ガスを、配管３９を経て空気圧縮
機１１の入口に戻す。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本願発明は、空気分離方法お
よび空気分離システムに関し、特に原料空気から効率良
く窒素や酸素を分離生成するために用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】空気からその構成成分である酸素や窒素
などを分離生成する技術として、深冷分離法が知られて
いる。この深冷分離法は、酸素と窒素の沸点の相違を利
用して加圧かつ低温下において精留操作を行い、空気中
の酸素や窒素を分離するものである。係る深冷分離法に
よって分離された酸素や窒素が外部に出荷される場合は
液化された後に一旦貯槽に蓄えられ、しかる後タンクロ
ーリーに充填されて需要者のもとへ運搬出荷されるのが
一般的である。
【０００３】貯槽には安全弁が取り付けられており、外
部からの侵入熱により液温が上がり圧力が上昇し貯槽内
の圧力が一定値に達するとこの安全弁が開いて貯槽内の
窒素ガスまたは酸素ガスを外部に逃がす。しかし、安全
弁は最終の安全装置として、安全弁の設定圧よりも低い
圧力でガスを大気放出する放出弁を設けることで更に安
全性を高めているのが通常である。
【０００４】また、タンクローリーは内部の純度を一定
以上に保つために全く空にされることはなく、常に或る
程度の液体窒素または液体酸素が内部に残された状態と
なっている。しかし、この液体は外部からの侵入熱によ
り内部温度が上昇し、従ってタンクローリー内の圧力も
それにつれて上昇する。そのため、貯槽からタンクロー
リーに窒素または酸素を充填する場合、貯槽とタンクロ
ーリーとの差圧をできるだけ小さくして充填速度を上げ
るために、タンクローリー内のガスを大気中に放出しな
がら窒素または酸素を充填するのが一般的である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、貯槽や
タンクローリーから大気放出される窒素または酸素のガ
スは、通常製品ガスの５％から１０％程度にもなり、そ
れはそのまま製品ガスの損失となる。このように製品ガ
スが無駄に放出されることにより、製品ガスの生産性が
低下し、ひいては製品ガスのコスト増加を引き起こして
いた。
【０００６】そこで、本願発明の目的は、貯槽やタンク
ローリーといった空気成分の貯蔵手段から製品ガスが無
駄に放出されることがなく、製品ガスの生産性を向上さ
せることができる空気分離方法および空気分離システム
を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の空気分離方法は、空気圧縮機で圧縮した
原料空気を精留塔において各空気成分に分離し、分離さ
れた特定空気成分を貯蔵手段に貯蔵する空気分離方法に
おいて、前記貯蔵手段から大気放出すべく排出される前
記特定空気成分のガスを、前記特定空気成分が製造され
ているときには前記精留塔またはそれ以前の部所の入口
に戻すようにしたことを特徴とする。
【０００８】また、請求項３の空気分離システムは、空
気圧縮機で圧縮した原料空気を精留塔において各空気成
分に分離する空気分離装置と、前記空気分離装置におい
て分離された特定空気成分を貯蔵することが可能な貯蔵
手段と、前記貯蔵手段から大気放出すべく排出される前
記特定空気成分のガスを前記特定空気成分が製造されて
いるときには前記精留塔またはそれ以前の部所の入口に
戻すための排出ガス帰還手段とを備えていることを特徴
とする。
【０００９】また、請求項１または３において、空気分
離システム前記貯蔵手段は貯槽およびタンクローリーの
うちの少なくともいずれか一方を含むように構成されて
おり、前記貯槽の圧力が一定値を超えたときに前記特定
空気成分のガスが大気放出すべく前記貯槽から排出さ
れ、前記貯槽から前記タンクローリーへの前記特定空気
成分の充填時に前記特定空気成分のガスが大気放出すべ
く前記タンクローリーから排出されるようにしてもよ
い。
【００１０】本願発明は上記のように構成されているた
め、貯槽やタンクローリーといった貯蔵手段に貯蔵され
た窒素や酸素などの特定空気成分が無駄に廃棄されるこ
とがほとんどなくなり、従って、従来のような製品ガス
の損失が生じない。すなわち、純度の高い特定空気成分
ガスをその製造中に精留塔などに戻すことにより、当該
戻した空気成分についての製造量を従来よりも増大させ
ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本願発明の好適な実施の形
態について図面に基づいて説明する。図１は、本願発明
の一実施の形態を説明するための空気分離システムを示
す概略図である。
【００１２】まず、図１の空気分離システムの概略構成
について説明する。図１において、空気分離装置１０
は、空気圧縮機１１と、冷却器１２と、前処理吸着器１
４と、熱交換器１６と、精留塔１８とを備えている。空
気圧縮機１１は、原料空気を取り入れこれを圧縮する。
冷却器１２は、圧縮された原料空気を熱交換させて原料
空気を冷却する。一対の前処理吸着器１４には内部に吸
着剤が充填されており、空気中の水や二酸化炭素などを
除去する。熱交換器１６は、精留塔１８に送り込む空気
を低温に冷却するための熱交換を行う。
【００１３】原料空気を窒素と酸素とに分離するための
精留塔１８は、低圧塔１８ａとその下部に置かれた高圧
塔１８ｂとを備えており、低圧塔１８ａの下部には凝縮
器２０が配置されている。ガス液化装置２２は、精留塔
１８からの窒素ガスを液化して、これを液体窒素貯槽３
０に与える。タンクローリー３４、３６は、液体窒素貯
槽３０および液体酸素貯槽３２から液体窒素および液体
酸素をそれぞれ充填された後、需要者のもとへ液体窒素
および液体酸素を輸送してこれを提供する。
【００１４】次に、図１の空気分離システムの動作につ
いて説明する。空気圧縮機１１で６ｋｇｆ／ｃｍ2程度
に圧縮された原料空気は冷却器１２に送られ１０℃程度
に冷却される。そして、前処理吸着器１４において原料
空気から水や二酸化炭素などが除去された後熱交換器１
６において精留塔１８からの窒素ガスとの熱交換により
−１７０℃程度の超低温に冷却され、気液混合状態で精
留塔１８の高圧塔１８ｂの下方に吹き込まれる。
【００１５】精留塔１８の高圧塔１８ｂに入った原料空
気は、高圧塔１８ｂの内部を上昇する間に後述するよう
に還流液体窒素と接触し、次第にその窒素濃度が高めら
れ、高圧塔１８ｂの上部では比較的高純度の窒素ガスと
なる。この高純度窒素ガスは配管２８を経て低圧塔１８
ａの凝縮器２０に与えられる。また、高圧塔１８ｂに入
った原料液体空気は高圧塔１８ｂの底部２４に溜められ
る。そして、この液体空気は配管２９によって低圧塔１
８ａの上部に供給され、精留棚により窒素と酸素に分離
される。その結果、液体酸素となって低圧塔１８ａの下
部に溜まり凝縮器２０が冷却され、高圧塔１８ｂから凝
縮器２０に送り込まれた窒素ガスが液化して高圧塔１８
ｂへの還流液となり、配管２７を経て液体窒素溜め２３
に戻される。この液体窒素溜め２３の溢流が高圧塔１８
ｂに吹き込まれた原料空気と接触して冷却され、上述し
たように液化し高圧塔１８ｂの底部２４に液体空気とし
て溜められる。低圧塔１８ａでは、窒素と酸素との沸点
の差（酸素の沸点−１８３℃、窒素の沸点−１９６℃）
により、配管２９によって供給された液体空気と凝縮器
２０で発生したガスとの精留分離が行われ、これにより
高純度の窒素ガスを低圧塔１８ａの頂部近傍から、液体
酸素を低圧塔１８ａの底部からそれぞれ抜き出すことが
できる。
【００１６】このように、精留塔１８の低圧塔１８ａの
上部に接続された配管２６からは窒素ガス（ＧＮ）を取
り出すことができ、低圧塔１８ａの下部に接続された配
管２５からは液体酸素（ＬＯ）を取り出すことができ
る。なお、低圧塔１８ａの最上部には窒素ガス以外にも
沸点の低いヘリウムガスや水素ガスが溜まり易いため、
配管２６は低圧塔１８ａの最上部から若干下方に取り付
けられている。
【００１７】精留塔１８で生成分離された窒素ガスは配
管２６により熱交換器１６に送られ、ここで原料空気と
熱交換させられて常温程度にまで昇温する。その後、窒
素ガスはガス液化装置２２において液化される。ガス液
化装置２２は、圧縮機、予冷器、フロン冷却器、熱交換
器、膨張タービン（すべて図示せず）などで構成されて
いる。ガス液化装置２２においては、まず窒素ガスが圧
縮機で圧縮され、予冷器およびフロン冷却器により−４
０℃にまで冷却される。続けて第１の熱交換器で帰還窒
素ガスと熱交換させて−８０℃まで冷却した後、その一
部を分岐して膨張タービンに導入する。膨張タービンで
は断熱膨張が行われ−１９３℃まで窒素を降温し、これ
を第２の熱交換器に導入して第１の熱交換器からの残り
の窒素ガスを冷却することにより液化する。
【００１８】ガス液化装置２２によって得られた液体窒
素（ＬＮ）と精留塔１８からの液体酸素（ＬＯ）は、液
体窒素貯槽３０および液体酸素貯槽３２にそれぞれ蓄え
られる。液体窒素貯槽３０および液体酸素貯槽３２では
窒素および酸素の液相と気相が平衡状態で共存してい
る。液体窒素貯槽３０内および液体酸素貯槽３２内の圧
力はともに通常０．１ＭＰａ程度である。
【００１９】液体窒素貯槽３０には安全弁３７が取り付
けられているため、液体窒素貯槽３０内の圧力が外部か
らの入熱などの理由により０．２ＭＰａ程度以上になる
と窒素ガスが自動的に大気放出されるようになってい
る。しかし、上述したような理由により、本実施の形態
においては、液体窒素貯槽３０内の圧力が０．１８ＭＰ
ａ程度になったときに別に設けた弁３８を開いて窒素ガ
スを排出する。そして、液体窒素貯槽３０から排出され
た窒素ガスは配管３９を通って空気圧縮機１１の入口に
戻される。
【００２０】このように、本実施の形態では、従来液体
窒素貯槽３０内の圧力が一定値以上になったときに単に
大気放出されていた窒素ガスを空気圧縮機１１の入口に
戻すようにした。これにより、窒素ガスが無駄に捨てら
れることがなく再度空気分離に供されることになるの
で、必要とするガスの割合を原料空気段階で増やすこと
ができ、結果的に窒素ガスの生産性を従来よりも高める
ことが可能になる。また、窒素ガスは−１９６℃程度の
低温であるためその分容積が小さくなるので、空気圧縮
機１１の消費電力を大幅に削減することができる。ま
た、低温で且つ高純度の窒素ガスを空気圧縮機１１の入
口に戻すことにより、冷却器１２や前処理吸着塔１４の
負荷を低減することにもなる。
【００２１】なお、窒素ガスを空気圧縮機１１の入口に
戻すのは、窒素ガスの戻しを行う時点で空気分離装置１
０において窒素を製造しようとしている場合だけに限ら
れる。つまり、液体窒素貯槽３０から排出された窒素ガ
スは、そのときに空気分離装置１０で窒素の製造が必要
とされている場合のみ空気圧縮機１１の入口に戻され、
酸素や他の特定空気成分だけが必要とされる場合には従
来どおり大気放出される。このように、弁から取り出さ
れる窒素ガスが空気圧縮機１１の入口に戻されるか大気
放出されるかはそのとき空気分離装置１０で製造すべき
空気成分に依存するため、そのときの状況に応じて窒素
ガスを自動的に振り分けるための制御装置（図示せず）
を配管３９に設けてもよい。
【００２２】酸素についても窒素と同様であり、液体酸
素貯槽３２には安全弁４２が取り付けられており、液体
酸素貯槽３２内の圧力が０．２ＭＰａ程度になったとき
に別に設けた弁４４を開いて酸素ガスを取り出す。液体
酸素貯槽３２から取り出された酸素ガスは配管４６を通
って空気圧縮機１１の入口に戻される。この場合も窒素
の場合と同じく、酸素ガスが無駄に捨てられることがな
く酸素ガスの生産性を従来よりも高めることが可能にな
るとともに、空気圧縮機１１の消費電力を削減すること
ができる。なお、酸素ガスを空気圧縮機１１の入口に戻
すのは、酸素ガスの戻しを行う時点で空気分離装置１０
において酸素を製造しようとしている場合だけに限られ
る。
【００２３】本実施の形態では液体窒素貯槽３０および
液体酸素貯槽３２から取り出した窒素ガスおよび酸素ガ
スを空気圧縮機１１の入口に戻すようにしているが、こ
れらの窒素ガスおよび酸素ガスは精留塔１８の適当な棚
段に戻すようにしてもよい。例えば、窒素ガスは、図１
に破線４８で示されているように、精留塔１８の低圧塔
１８ａの上部に戻し、酸素ガスは、破線５０で示されて
いるように低圧塔１８ａの下部に戻す。これは戻される
ガスが原料空気とは異なり既に純度の高いガスだからで
ある。なお、窒素ガスや酸素ガスは、精留塔１８と空気
圧縮機１１の間の適当な部所に戻してもよい。実際上、
精留塔１８は断熱材で覆われてコールドボックス内に収
められているため事後的に精留塔１８への戻し配管を形
成するのは困難であり、このような場合には空気圧縮機
１１の入口に戻すのが好ましい。
【００２４】液体窒素貯槽３０に蓄えられた窒素はタン
クローリー３４に充填されて需要者まで輸送される。こ
の際、上述したようにタンクローリー３４への充填速度
を上げるためにタンクローリー３４から窒素ガスが大気
放出されるべく弁５２から排出される。本実施の形態で
は、この窒素ガスを配管３９を用いて空気圧縮機１１の
入口側に戻すようにしている。これにより、液体窒素貯
槽３０から弁３８を介して排出された窒素ガスを空気圧
縮機１の入口に戻したときと同様の効果が得られる。ま
た、酸素側についてもタンクローリー３６から弁５４を
介して放出される酸素ガスが配管４６により空気圧縮機
１１の入口側に戻され、これにより、液体酸素貯槽３２
から弁４４を介して排出された酸素ガスを空気圧縮機１
１の入口に戻したときと同様の効果が得られる。なお、
タンクローリー３４、３６から排出された窒素ガスおよ
び酸素ガスは、精留塔１８の適当な棚段や精留塔１８と
空気圧縮機１１の間の適当な部所に戻してもよい。ただ
し、タンクローリー３４、３６から排出される窒素およ
び酸素の純度は貯槽３０、３２内の純度よりも低いこと
が多いため、貯槽３０、３２に戻すのは好ましくない。
【００２５】以上、本願発明を好適な実施の形態に基づ
いて説明したが、本願発明はこれに限定されるものでは
なく様々な設計変更が可能である。例えば、本実施の形
態では、貯蔵手段として貯槽とタンクローリーの両方を
具備していたが、貯蔵手段はこれらのうちいずれか一方
だけであってもよい。また、窒素ガスおよび酸素ガスの
排出ガス圧力が低いときは圧縮機でこれを昇圧してから
空気圧縮機１１の入口に与えるようにしてもよい。ま
た、本実施の形態では空気を分離して酸素および窒素を
生成したが、アルゴンなどの他の空気成分を生成するの
に適用することも可能である。
【００２６】また、本実施の形態では精留塔１８として
は、単式精留塔や複式精留塔などのどのような精留塔で
あっても本願発明に用いることが可能である。また、本
実施の形態ではタンクローリー３４、３６から大気放出
すべくガスを排出するのは、窒素または酸素の充填のと
きであったが、これに加えてタンクローリー３４、３６
の圧力が一定以上となったときの安全対策のためにガス
を排出することも考えられ、この場合も上述したように
排出されたガスを配管３９、４６を経て空気圧縮機１１
の入口に戻すようにすればよい。また、本実施の形態で
は窒素と酸素の両方を製造したが、いずれか一方だけを
貯槽に溜め、他方は精留塔から放出するようにしてもよ
い。
【００２７】
【発明の効果】以上説明したように、本願発明による
と、窒素ガスなどの特定空気成分ガスが無駄に捨てられ
ることがなく再度空気分離に供されることになるので、
必要とするガスの割合を原料空気段階で増やすことがで
き、結果的に特定空気成分ガスの生産性を従来よりも高
めることが可能になる。また、窒素ガスなどの特定空気
成分ガスは一般的に非常に低温でありその分容積が小さ
くなるので、空気圧縮機の消費電力を大幅に削減するこ
とができる。従って、簡単な設備および簡易な方法によ
って、貯槽の安全性を確保し且つタンクローリーへの良
好な充填速度を確保しつつ、より低コストで窒素などの
空気成分を製造することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の一実施の形態を説明するための空気
分離システムの概略図である。
【符号の説明】
１０ 空気分離装置 １１ 空気圧縮機 １２ 冷却器 １４ 前処理吸着器 １６ 熱交換器 １８ 精留塔 ２０ 凝縮器 ２２ ガス液化装置 ３０ 液体窒素貯槽 ３２ 液体酸素貯槽 ３４、３６ タンクローリー ３９、４６ 配管（排出ガス帰還手段）

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 空気圧縮機で圧縮した原料空気を精留塔
    において各空気成分に分離し、分離された特定空気成分
    を貯蔵手段に貯蔵する空気分離方法において、 前記貯蔵手段から大気放出すべく排出される前記特定空
    気成分のガスを、前記特定空気成分が製造されていると
    きには前記精留塔またはそれ以前の部所の入口に戻すよ
    うにしたことを特徴とする空気分離方法。
  2. 【請求項２】 前記貯蔵手段は貯槽およびタンクローリ
    ーのうちの少なくともいずれか一方を含むように構成さ
    れており、前記貯槽の圧力が一定値を超えたときに前記
    特定空気成分のガスが大気放出すべく前記貯槽から排出
    され、前記貯槽から前記タンクローリーへの前記特定空
    気成分の充填時に前記特定空気成分のガスが大気放出す
    べく前記タンクローリーから排出されることを特徴とす
    る請求項１に記載の空気分離方法。
  3. 【請求項３】 空気圧縮機で圧縮した原料空気を精留塔
    において各空気成分に分離する空気分離装置と、前記空
    気分離装置において分離された特定空気成分を貯蔵する
    ことが可能な貯蔵手段と、前記貯蔵手段から大気放出す
    べく排出される前記特定空気成分のガスを前記特定空気
    成分が製造されているときには前記精留塔またはそれ以
    前の部所の入口に戻すための排出ガス帰還手段とを備え
    ていることを特徴とする空気分離システム。
  4. 【請求項４】 前記貯蔵手段が貯槽およびタンクローリ
    ーのうちの少なくともいずれか一方を含むように構成さ
    れており、前記貯槽の圧力が一定値を超えたときに前記
    特定空気成分のガスが大気放出すべく前記貯槽から排出
    され、前記貯槽から前記タンクローリーへの前記特定空
    気成分の充填時に前記特定空気成分のガスが大気放出す
    べく前記タンクローリーから排出されることを特徴とす
    る請求項３に記載の空気分離システム。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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