JPS62102074A - ガス分離方法及び装置 - Google Patents

ガス分離方法及び装置

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JPS62102074A JP60241402A JP24140285A JPS62102074A JP S62102074 A JPS62102074 A JP S62102074A JP 60241402 A JP60241402 A JP 60241402A JP 24140285 A JP24140285 A JP 24140285A JP S62102074 A JPS62102074 A JP S62102074A
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    • Y10S62/00—Refrigeration
    • Y10S62/939—Partial feed stream expansion, air

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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、原料ガスを冷却して分離するガス分離方法に
関するものである。
〔発明の背景〕
原料ガスを冷却して、精留性１ｌｌＫあるいは吸着分離
などのガス分離部に供給し、製品ガスを採取するガス分
離技術は周知である。特に、空気を原料ガスとして、こ
の空気を液化して精留することにより、窒素（Ｎ２）、
酸素（０２）、アルゴン（Ａｒ）等を分離する空気分離
装置は、種々の分野で稼動している。
この種のガス分離装置では、原料ガス（空気等）等に対
して運転条件に応じた加圧、減圧操作が必要であり、こ
のため圧縮機や膨張タービン等の機器を設置する必要が
ある。そして、この種装置は、長期間の連続運転を行な
う場合が多く、この運転にともなう電力などの動力費（
運転コスト）をいかに少なくするかが最大の課題である
。
従来、この課題に対して、数多くの技術が開発されてき
ているが、この中で空気分限装置における寒冷を効率良
く発生させるために、膨張機と圧縮機とを接続（直結ま
たはギヤ等を介して結合）した圧縮機付膨張タービンを
利用するものが知られている。この技術の代表的なもの
暑こ、特開昭６０−２３７７１号公報Ｉこ開示されたも
のがある。
この技術は、主熱交換器の再熱回路を通過せしめた複式
精留塔の下塔からの気体空気又は気体窒素を主熱交換器
とは別個に設けた循環熱交換器に通して昇温した後、膨
張タービンの負荷ブロワ（圧縮機）にかけて昇圧し、更
に二の昇圧空気を萌述の循環熱交換器に通して冷却した
後、膨張タービンに導入してｉｌｌに必要な寒冷を発生
せしめるものである。この技術によると、装置に必要な
寒冷を発生せしめると共に、膨張タービンの流量を効果
的に減少させることができるので、製品ガス（０２）の
原単位を低減させることができる。
ところで、上記の方法においては、複式精留塔の下塔か
ら抜出した液化ガスまたはガスを循環熱交換器に供給し
、また一部は主熱交換器の再熱回路を介して循環熱交換
器に供給して温度回復する構成なので、当然のことなが
ら循環熱交換器を設置しなければならず、設備が複雑に
なると共に、設備費もアップする。また、昇圧のために
、圧縮機付膨張タービンの圧縮機に供給されるガスは、
複雑な経路を経て圧縮機に送入されるので、圧力損失お
よびその間でのエネルギーの流路損失が大きく、思った
ほどの効果が得られない。また、精留塔下塔から抜出し
た液化ガスまたはガスは、−１７０°程度であり、その
一部を主熱交換器の再熱回路に供給して昇温したガスと
合流させたとしても、循環熱交換器の戻りガスの温度と
の差が大きく、寒冷ロスは大きい。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、簡単な構成でしかも効率良くガス分離
を行なうことのできるガス分離方法を提供することであ
る。
〔発明の概要〕
本発明は、原料ガスを主熱交換器の旧設で二分流し、原
料ガスの一分流は、該主熱交換器の温端側に供給して冷
却し、該冷却後の原料ガスをガス分離部に供給し、原料
ガスの残りの一分流は、膨張タービンと接続されている
圧縮機に供給して昇圧し、該昇圧ガスをｎＩＩ記主記文
熱交換器端温度あるいはその近傍温度まで冷却した後前
記主熱交換器の温端側に供給し、前記主熱交換器の中間
部からの冷却した前記昇圧ガスを抜出し、該抜出された
昇圧ガスを面記膨張タービンに供給し、寒冷を発生させ
ることを特徴としている。
なお、この明細書中において、原料ガスとは、ガスを分
離して製品ガスを採取するための原料となる混合ガスを
いい、それらの組成がどのようなものであっても良い。
すなわち、ここでいう原料ガスには、空気あるいは回収
のための排ガスの他。
精製のための原料ガスである粗窒素ガス、粗酸素ガス、
粗アルゴンガス等も含まれる。もちろん。
天然ガス等であっても良い。
また、この明細書において、ガス分離部とは、単式また
は複式の精留塔によって液化分離を行なう精留分離手段
はもちろん、これ以外の例えばモレキュラーシーブ等を
用いた低温吸着分離手段等であっても良い。要は、原料
ガスを分離して、何がしかの製品ガスを採取するもので
あればどのようなものでも良い。
〔発明の実施例〕
以下、本発明を具体的な実施例により詳細に説明する。
第１図は、空気から、酸素、窒素、あろいはアルゴン等
を大ｌｉｔこ採取する場合に最も良く用いられる空気分
離装置に本発明を実施した一例を示す。
第１図において、１は空気を圧縮する空気圧縮機、２は
アフタ・クーラ、５は圧力差スウィング式の吸着塔（Ｐ
ＳＡ式吸着塔）を示し、ｚ塔を一定時間毎に切換え使用
する。７は主熱交換器であり、原料ガス（ここでは空気
）を戻りガスによって冷却する。８は複式精留塔であり
、ここで空気から窒素および酸素を分離し、液体または
ガスとして製品窒素および製品酸素を採取する。１０は
圧縮機であり、１１は膨張タービンである。これらは、
軸によって接続されており、これらを総称して圧縮機付
膨張タービンまたはエキスパンダー・コンプレッサとい
う。
このような構成における動作は次の通りである。
まず、大気から取入れられた空気は、図示しないフィル
タ等で空気中のちり等が除去され、空気圧縮機１で、約
５に９／ｃ＋＋ｔＧに圧縮される。圧縮により高温とな
った空気は、アフタ・クーラ２で約４０℃まで冷却され
る。この空気は、ＰＳＡ式の吸着塔５に導入され、ここ
で水分および炭酸ガスが吸着除去される。これは、後流
の深冷分離部において機器内に水分（Ｈ２０）や炭酸ガ
ス（ＣＯ２）が固着し、通路閉塞等のトラブルが生じる
のを防く゛ためである。この例では、ＰＳ人式の吸着塔
を用いているので、約４０℃の乾燥空気が得られる。
この乾燥空気が、この実施例における原料ガスである。
なお、Ｈ２ＯやＣＯ２の除去のためには、ＰＳλ式以外
のどのような除去手段を用いても良い。
例えば、シリカゲル等の吸湿剤を充填したものや、温度
差スウィング式の吸着塔（ＴＳＡ式の吸着塔）でも良い
。ただし、ＴＳ人式を用いた場合、吸着（なり、主熱交
換器７での部端温度差による熱損失が生じる。したがっ
て、これを是正するには。
適当な冷却設備が必要となる。
このようにして得られた乾燥空気（原料空気）は、主熱
交換器７の旧設で二つに分１ｌｌ（二分流）される。二
分流のうち一分流は、主熱交換器７で約−１７０℃まで
冷却され、この冷却後の原料空気は精留塔８の下塔８ａ
に送入される。一方、残りの一分流は、圧縮Ｍ１１０に
導入され、ここで約ｌＯＫｐ／ｃｄＧに昇圧され、昇圧
ガスとして出力される。二の昇圧ガスは、アフタ・クー
ラ臆によって、約４０℃まで冷却され、主熱交換器７の
温端側に供給される。二分流された原料空気は、共に約
４０℃で主熱交換器７の温端側に供給されるので、器も
不要である。約４０℃の昇圧ガスは、主熱交換器７に導
入され、その中間部から約−１００℃で抜出され、膨張
タービン１１に供給される。この膨張タービン１１にて
、約０．４に９／ｃｄＧまで断熱膨張させ寒冷を発生す
る。この膨張タービン１１で発生した運動エネルギーに
て、圧縮機１０を駆動する。
寒冷を発生し、低圧となった寒冷ガスは、精留塔８の上
塔８ｂに送給される。精留塔８の下塔８ａに供給された
約−１７０℃の原料空気は、下塔内で上昇ガスとなる一
方、下塔８ａの頂部で凝縮して得られる還流液に接触さ
せて粗精留し、下塔８ａの頂部で富液体窒素（液化９素
ガス）を得ると共に、前記還流液は下塔８ａの底部で富
酸素液体空気（０２成分が約３０〜４０％）となる。下
塔８ａで粗精留された液体空気は、上塔８ｂの中部へ導
かれる。また、下塔の頂部に貯留された富窒素液は上塔
８ｂの上部へ導かれる。この結果、上塔８ｂの底部から
製品酸素が、上塔８ｂの頂部から製品窒素が得られ、こ
れらは主熱交換器７の冷端側に供給される。主熱交換器
７で温度回復された製品酸素および製品窒素はそれぞれ
導管１３．１４からそれぞれの需要先に供給または貯蔵
される。精留塔８から出た廃ガスは、主熱交換器７で温
度回復され、大気中に放出される。この廃ガスの一部は
、導管１５を通して、吸着塔５の減圧再生に使用する。
次に１本発明の他の実施例について説明する。
第２図は、空気から窒素を分離する装置に適用した例を
示す。第２図において、原料空気はｒ過器切から吸入さ
れ、空気圧縮ａ１こより約８〜／ｃＩＩＧに昇圧され、
アフタ・クーラ２で約４０℃の常温に冷却された後、吸
着塔５に導かれる。吸着塔５で含有する水分および炭酸
ガスを吸着除去された原料空気は、窒素な精留分離する
ために必要な量だけ管４を経て、主熱交換器７に入り、
装置内から出る低温ガスと熱交換して冷却され一部液化
した状態（約−１７０℃）で管区を通り精留塔８′へ導
かれる。精留塔８′に入った空気は、塔内で精留分離さ
れ、塔頂より管ｎより窒素ガスとして取り出され、管冴
によって窒素凝縮器９に導かれる。
窒素凝縮器９Ｉこおい、て、後述液体空気により冷却さ
れた窒素ガスは、液体窒素となって管δより取り出され
、その一部は製品液体窒素として管加より装置外に取り
出される。残りは管ｎを経て精留塔６内下降液として使
用される。なお、窒素ガスの一部を製品として採取する
場合は、管公を通じ主熱交換器７で常温（約４０℃）ま
で温度回復させて７〜７．２Ｋｑ／ｃｒＩＱの圧力下で
取り出すことができる。一方、精留塔８′塔底に溜る液
体空気ば、管四より取り出され、約３．５に９／ｃｄＧ
まで減圧された後窒素凝縮器９に導かれ窒素ガスと熱交
換される。窒素凝縮器９でガス化した液体空気は、３４
〜３６　％０２の廃ガスとなり、管Ｉを経て、主熱交換
器５に入り、約−１５０℃程度まで温度回復した後、管
３１により膨張タービン１６に導かれる。
膨張タービン１６において約３．５に９／ｄＧからほぼ
大気圧力まで断熱膨張された廃ガスは−１７５〜−１８
０℃の低温ガスとなり、管シによって主熱交換器７に導
かれ、その寒冷を回収されて常温（約４０℃）となって
装置外に取り出され、管羽を経て吸着塔５の再生ガスと
して使用された後大気放出される。
この実施例では、上記のプロセスの他に、吸着塔５を出
た原料空気の一部を、導管Ｕを介して、エキスパンダー
・コンプレッサ（圧縮機付膨張タービン）ノ圧縮部１０
ニ導き、約１０に９／ｃｉ！Ｇに昇圧させた後水冷アフ
タ・クーラセにより原料空気と同温度（約４０℃）まで
冷却する。さらにその空気を、管あを通り、主熱交換器
７の温端側に供給して約−１６０℃まで冷却して管あて
取り出すラインと、約４０℃の常温のまま管ｎを介して
装置内に導くラインとに分岐し、好適な温度（−１３０
〜−１４０℃）に調整した後エキスパンダー・コンプレ
ッサーのエキスパンダ一部（膨張タービン）１１に導く
。エキスパンダ一部１１では、膨張タービン１６と同様
に空気を約９に４／ｃｆｆｌＧからほぼ大気圧力まで断
熱膨張させることにより寒冷を発生させる。エキスパン
ダ一部１１を出た−１７５〜−１８０℃の空気は、管あ
を介して膨張タービン１６を出た廃ガスと合流し、管ｎ
を経て主熱交換器７に導かれる空気の寒冷発生回路を設
け、単位流量当りの空気の寒冷発生量をより高めている
。
本実施例によれば、原料空気の前処理装置としてＰＳＡ
方式の吸着方式を採用しているため、コンプレッサ一部
１０の出口は水冷アフタ・ターラ犯を設けただけで主熱
交換器７の塩基温度を揃える二とができるという効果が
ある。サーマルスウィング吸着式においても、原料空気
温度５〜８℃まで冷凍ａあるいはその他の冷却器を設け
ることにより採用することはできる。
次に、本発明の更に他の実施例について説明する。第３
図は、第１図の場合と同様、空気から窒素および酸素を
分離採取する例を示している。この図において、第１因
と同一符号の機器は、第１図と同様の機器を示す。第３
図において、第１図と異なる点は、膨張タービン１１を
出た寒冷ガスを精留塔下塔８ａに供給していることであ
る。
なお、上述した実施例では、いずれも原料ガスとして空
気を用いたものを示したが、本発明はこれに限定される
ものではない。粗ガスを精製するプロセスにおける粗ガ
スもここにいう原料ガスである。また、使用済のアルゴ
ン等を回収するプロセスにおける使用済のアルゴン等も
ここにいう原料ガスに含まれるものである。
更に、ガス分離部としては、上述した実施例においては
精留分離装置を例示したが、本発明はこれに限定される
ものではない。
張により発生した寒冷ガスを精留塔側に供給する例を示
したが、この寒冷ガスの一部または全部を直接あるいは
寒冷回収用の熱交換器を介して主熱交換器の冷端側に供
給し、寒冷回収するようにしても良い。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、簡単な構成でしか
も効率良くガス分離を行なうことができる。特に、製品
ガスを液体（液化ガス）として採取する場合には、液化
装置等を設けな（とも十分な寒冷が得られるので設備が
極めて簡単Ｃ二なる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例を示す図、第２図は本発明の
他の一実施例を示す図、第３図は本発明の更に他の一実
施例を示す図である。 １・・・・・・空気圧縮機、２・・・・・・アフタ・ク
ーラ、５・・・・・・ＰＳＡ式の吸着塔、７・・・・・
・主熱交換器、８・・・曳式蛸留塔、８′・・・・・・
精留塔、１０・・・・・・圧縮機、１１・・・膨張ター
ビン オｌ圀 牙３図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、原料ガスを主熱交換器の前段で二分流し、原料ガス
    の一分流は、該主熱交換器の温端側に供給して冷却し、
    該冷却後の原料ガスをガス分離部に供給し、 原料ガスの残りの一分流は、膨張タービンと接続されて
    いる圧縮機に供給して昇圧し、該昇圧ガスを前記主熱交
    換器の温端温度あるいはその近傍温度まで冷却した後前
    記主熱交換器の温端側に供給し、前記主熱交換器の中間
    部から冷却した前記昇圧ガスを抜出し、該抜出された昇
    圧ガスを前記膨張タービンに供給し、寒冷を発生させる
    ことを特徴とするガス分離方法。
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