JPS6091177A

JPS6091177A - 全低圧式空気深冷分離方法

Info

Publication number: JPS6091177A
Application number: JP19770683A
Authority: JP
Inventors: 昌男小野澤; 須貝　哲也
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1983-10-24
Filing date: 1983-10-24
Publication date: 1985-05-22

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】Ｊｒ業上の利用分野本発明は酸素、窒素を空気から分取するだめの方法に関
するものである。

従来技術現在、空気から酸素、窒素を分取し、酸素を鉄鋼業原料
、溶接用等の用途、また窒素を化学原料、不活性ガスシ
ールの用途に利用することか広く行なわれている。

これら酸素、窒素は周知のようにリンデフレンケル式又
はカーピッツア式の深冷分離装置によって製造されてお
り、基本的には圧縮した空気を生成ガスとの熱交換によ
り冷却したのち、自由膨張または断熱膨張により液化し
、これを分溜して、酸素、窒素を分離する方法によるも
のである。

現在法の一例の製造工程を第１図に線区で示す。原料空
気はコンプレッサ１で通常５〜６　ｋｇ／ＣｌＯ２に圧
縮され、水洗塔１３を通してのち、熱交換器２〜５を通
り、また一部はアンモニア冷却器１４により冷却される
熱交換器６．７、更に熱交換器８．９を通ったのち合流
し、大部分は膨張タービン１０で膨張し、寒冷（低温）
を発生し、上部精溜塔１１に入る。一部は高圧のまま、
下部精溜塔１２に入り、冷却され、温度成分の異なる二
液体となり、いずれも上部精溜塔に供給される。上部精
溜４ｕでは、下方から液体酸素、上方から窒素カスを留
出する。生成窒素ガスは再び熱交換器２．３をとおり、
又、生成酸素ガスは熱交換器４．５をとおり、原料空気
を冷却し、製品または排ガスとされる。熱交換器は、通
常蓄熱式熱交換器であり、２と３．４と５．６と７．８
と９は対を為し、一方が製品カスを通して蓄冷している
とき、他方は原料空気を冷却する構成となっている。

このように現在の殆どの空気深冷分離装置は、空気圧縮
機１で圧縮された空気を、蓄冷器２〜５で冷却し、ｌ＆
ｆ　ＩＪＩ１２タービン１０又はＩＩ　１１１２弁を通
して膨１１にさせて、必要な寒冷をつくり出し、例えば
下部精溜搭１２のような適当な液化ガス製造方法によっ
て得た窒素又は窒素性の多い液化ガスを上部精溜塔にお
いて熱、物質交換を行なって酸素分と窒素性とを分取す
るという基本構成をとっている。

このような方式は過去二車数年にわたり、特に鉄鋼業に
おける大量酸素使用により改善されてきたものでほとん
ど完成したものともいえる。たとえば、空気分離におけ
る製品コストはほとんど電力費によって支配されるが、
現在酸素を主とじて分取する場合、標準状態の酸素１ｒ
ｒｆあたり、電力原単位は製品酸素純度９０〜９５％テ
０．３５　ｋｗｈ、９８．５％で０．４０　ｋｗｈ程度
であり、はぼ限度に達しているものとみられている。

今、理論的に考えて、空気を液化し、酸素と窒素を分取
する場合、酸素１　ｍ’当りの所要仕事量を、■寒冷部
への外部からの熱侵入はなく、熱交換器で完全熱交換を
行なう、■精溜塔で分離エントロピに相当する熱ロスが
ある、■この熱ロスをカルノー機関で常温まで汲み上げ
るものとする、との三つの前提で計算すると、仕事量は
僅が０．０３ｋｗｈ程度に過ぎないことになる。実際は
この１０倍をこすわけであり、その損失分は前記の前提
を完全には満たし得ないことが相乗して、著しく仕事の
効率を落していることによるものである。

そこで発明者らは、従来方式をまったく改めなければ、
コストを決定する電力原単位を向上させることはできな
いと考え、基本に立ちがえって空気液化深冷分離装置の
検討を行なった。

前述した理論原単位を算定した前提のうち、■と■がも
つとも問題であると考え、熱交換能力を向」ニさせると
共に、熱ロスを汲み上げる機関としてもっとも効率のよ
いと思われる方式を検討し、その結果、第２図にフロー
シートで示した方法を発明するに至ったものである。

発明の目的すなわち１本発明は深冷分離を効率良く行うことを目的
とするものである。

発明の構成・作用本発明は原料空気が系内における通気抵抗および系出口
における必要保持圧力を補償するだけの昇圧能力を有す
る昇圧機たとえば空気ブロアまたは空気コンプレッサに
よって供給され、熱交換器で冷却され、精溜搭で液化ガ
スと接触して、酸素、及び窒素を分離し、これら酸素及
び窒素を熱交換器を経て製品または排カスとする全工程
中に、冷熱発生のだめの圧縮、膨張機を備えることなく
、管路を流れるガスを外部の冷却器により冷却された冷
奴により冷却されるようにしたことを特徴とする全低圧
式空気深冷分離方法である。

以下図面を用いて説明する。第２図は本発明実施例の製
造工程図である。原料空気は、タンク２１を出て、ブロ
ア２２に入り、ここで通常３０００〜４０００ｍｍＨ２
Ｏに昇圧される。このブロア２２は原料空気が系内にお
ける通気抵抗および系出口における必要保持圧力を補償
するだけの昇圧能力を塙する昇圧機である。昇圧された
空気はフィルタ２３等で清浄化した後、アンモニア冷却
機２４等を用いて水分を除去する。

次いで原料空気は熱交換器２５．２６で、精溜塔で生成
した窒素および酸素と十分な熱交換を行ない、冷却され
る。本発明では、冷酸素および冷窒素後の空気との温度
差は、１０〜２０′Ｃとなるよう熱交換することが望ま
しい。

このようにして得られた冷空気は大部分は精溜塔２７下
部に気体のまま導入されるが、一部は液体空気製造機２
９を経由し、ここで精溜塔下部から製品として取り出さ
れた液体酸素によって更に冷却され、液化し、精溜塔２
７の上部に供給される。この液体空気製造機の構造及び
作用は、ｆＪＳ３図にょって後記する。

粘渭１塔上部より生成する窒素ガスの一部は液体窒素製
造機２８で液化し、これを精溜塔の主要な冷熱源とする
。この液体窒素製造機の構造及び作用は第４図によって
後記する。

精溜塔２７においては上部から液体窒素、液体空気を流
−ドさせ、下部から空気および酸素ガスが上昇し熱およ
び物質交換を行ない、上部から窒素、下部から酸素を得
ることになる。生成窒素は熱交換器２６を経て製品また
は排ガスとなる。又、生成酸素は空気液化器２９で蒸発
し、熱交換器２５を経て製品となる。第２図中液体炭化
水素（Ｂ）分離器３゜のみが示されており、炭酸ガスの
分離、アセチレンの除去等は図面中省略したが、従来方
法が応用できる。また熱交換器２５．２Ｂは夫々ｆｉ１
図のように蓄熱式熱交換器２基または３基で対になって
いる。

前記液体空気製造機２８は、本方法における熱交換能力
を向上させるもので、その概要を第３図に示した。第３
図において、酸素蒸発器４３には、入口４７から系内の
液体酸素が導入され、圧縮された循環冷媒（窒素ガス）
を冷却凝縮させ、ノに発した酸素ガスは出口４８から枯
山される。窒素ガスは凝縮液化し、供給器４４を経て、
空気液化器４１に入る。該空気液化器４１には蓄冷器２
５．２６で冷却された空気が入口４９から入り、液化し
て出口５０から出る。このとき窒素は気化し、空気液化
器４１の上部から排出される。冷媒の窒素ガスはコンプ
レッサ４２で圧縮され循環する。この装置のうち高圧部
は冷媒ガスの通るコンプレッサ４２から供給器４４．ま
たは同４６までの管路であり、人口４９〜出口５０およ
び入日４フ〜出ラインは低圧力である。即ちん却ラインは主系統のライ
ンの外にある訳である。

前記酸素蒸発器４３は精溜塔２７の液体酸素溜部を用い
てもよいにの場合は精溜塔下部から酸素ガスが回収され
る。また一部の窒素凝縮液は分流制御弁４５を通って、
供給器４６からコンプレッサ４２人口に供給することで
、窒素の圧縮過程を冷却し、圧縮動力の低減を図ること
ができる。

コンプレ・ンサ４２を通る冷媒としては、熱伝達の面か
らこの場合液化、蒸発のサイクルで潜熱を利用するラン
キンサイクルとするため窒素を用いるのが好ましいが、
その他の冷媒たとえばヘリウムを用いることも考えられ
る。ただしヘリウムは全径路をカスのまま循環するため
空気液化器４１での伝熱の上で不利となる。

次に前記液体窒素製造機の例について第４図で説明する
。液体空気製造機および精溜塔の系で発する窒素、酸素
分離に関与した不可避の冷熱損失を補償するため、精溜
塔上部より液体窒素を供給する形で、冷熱を供給する。

そのため本例ではスターリング冷凍機を使用した。

６１は圧縮端で、系内ガスを圧縮し、外部は海水等で冷
却される。ガスは再熱器６２を経て膨張端６３で膨張し
、このとき冷熱を発生し、温度が降下する。膨張端６３
の筒内には、窒素ガス配管を構成し、入口６５から入っ
た窒素ガスは液体となって出口６６から出てゆく。この
だめの動力は軸６４から与えられる。系内を流れるガス
はたとえば、ヘリウムまたは水素を用いることができ、
一般にはヘリウムを用いる。再熱器８２は蓄熱式熱交換
器である。

実施例次に本発明の実施例を示す。

軸馬力１２０　ｋｗのスターリング冷凍機を用いて、第
２図に示したフローシートの装置を組み上げ。

順調な運転を行うことができた。スターリング冷凍機の
冷凍出力は約５　０　ｋ．ｗであり，この小型の装置の
運転結果を解析し、２０．００ＯＮｍ’／ｈの８５％酸
素ガスの酸素純分ＩＮｍ″当りの電力原単位を推算する
と０．　３５ｋｗｈ／　Ｎ　ｒｎ’程度となり良好であ
った。

運転の結果分ったことは第２図の方式で組み上げた装置
は極めて立ち上りが早いということである。従来の深冷
分離装置が能力を発生するまでは三日程度を要したのが
、本装置では半日ないし一日で所定の能力に到達できた
。

発明の詳細な説明したように本発明においては、原料空気は系内の
圧力損失を補い、出口で適当な圧力を保持するだけの圧
力を空気ブロアまたはコンブレッサによって与えるのみ
で、しかもこの空気が液化され酸素、窒素として分離さ
れるまでさらに圧縮、膨張による冷熱発生を行わないの
で、換言すればラインの外側からの間接冷却により冷却
、液化を行っているので、所要電力の軽減、電力原単位
の向」二を図ることができる。また本発明方法は液化装
置としてスターリング冷凍機と、精溜堵から発生する酸
素を冷媒とするランキンサイクルによる凝縮器を用いた
とき最も効率的である。

又、本発明方法は、空気送風機から成品酸素、窒素に到
るラインが低圧力で計画されており、冷熱（低温）発生
のための装置は外部系として切りはなされている。この
ため本方法はきわめて運転制御がやりやすい。また系の
安全性も高まり、装置費用も低圧化による蓄冷器２５．
２６の大型化を相殺しうるものである。

本方法はまた窒素をかなり随意の量で生産しうる利点か
ある。２６を蓄熱式熱交換器とした場合、切替方法およ
び貯留タンクを適当に組みあわせることにより、半星以
上の窒素を必要であれば生産できる。すなわち冷熱の損
失なしに窒素、酸素の共通生産を行ないやすい製品であ
る。

さらに、所定の能力に到達する迄の運転後の立ち上りが
極めて早いという利点もある。

このように木発明は、極めて優れた、新規全低圧式空気
深冷分離方法で、産業の発達に寄与するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は現在一般に使用されている深冷分離法の一例を
示す説明図、第２図は本発明方法の説明図、第３図は木
発明における液体空気製造機の説明図、第４図は液体窒
素製造機としてスターリング冷凍機を用いたときの説明
図である。１・・・コンプレッサ、２〜９・・・熱交換器、１０・
・・膨張タービン、１１・・・上部精溜塔、１２・・・
下部精溜塔、１３・φ・水洗塔、１４・・・アンモニア
冷却器、１６・・・酸素ガス、１７・・・窒素ガス、２
１・・・原料空気タンク、２２壷φ・ブロア、２３Φ＠
拳フイルタ、２４・・・アンモニア冷却器、２５．２６
・・瞭然交換器、２７・・−精溜塔、２８・・・スター
リング冷凍機、２８・・・液化器、３０・・・除去器、
４１・・・空気液化器、４２・・・コンプレッサ、４３
・・・酸素蒸発器、４４・・・供給器、４５・・・分流
制御弁、４６・・・供給器、４７・−・入口、４８・・
・出口、４９−−−人目、５０・・・出口、６１・・・
圧縮端、６２・・・再熱器、６３・・・膨張端、６４・
・・輔、６５・・・入口、６６・・−出口。４）許出願人　新日本製鐵株式會社代理人　弁理士　井　上雅生

Claims

【特許請求の範囲】

原料空気が系内における通気抵抗および系出口における
必要保持圧力を補償するだけの昇圧能力をイ、！する昇
圧機によって供給され、熱交換器で冷却され、精１７７
塔で液化ガスと接触して、酸素、及び窒素を分離し、こ
れら酸素及び窒素を熱交換器を経て製品または排ガスと
する全主工程中に、低温発生のための圧縮、１膨１１Ｍ
機を備えることなく、管路を流れるカスを主工程外の冷
却手段により冷却するようにしたことを特徴とする全低
圧式空気深冷力、’Ｗ１方法。