JPH02293575A - 空気分離装置 - Google Patents

空気分離装置

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JPH02293575A
JPH02293575A JP11565189A JP11565189A JPH02293575A JP H02293575 A JPH02293575 A JP H02293575A JP 11565189 A JP11565189 A JP 11565189A JP 11565189 A JP11565189 A JP 11565189A JP H02293575 A JPH02293575 A JP H02293575A
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liquid
tank
air separation
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Masayuki Tanaka
正幸 田中
Tetsuo Senchi
泉地　哲夫
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Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
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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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、原料空気から液体酸素（ＬＯ２）や液体窒
素（ＬＮ２　）などを分離回収し、これらを製鉄所など
の需要先に供給する空気分離装置に関するものである。
〔従来の技術〕
従来、空気分離手段としては例えば第２図に示すような
ものが知られている。この装置によるプロセスを以下に
説明する。
まず原料空気は、原料空気圧縮機１１により圧縮され、
図示しない吸着塔により原料空気中の水分（１−１２０
＞および炭酸ガス（ＣＯ２　）などが吸着除去され、前
処理された残りの原料空気が深冷部Ｃ内の主熱交換器２
に送られる。この主熱交換器２で上記原料空気は、その
沸点近くまで冷却された後に、導管１１１を通して精溜
塔３に入れられる。
このＮＭ塔３は下塔３１と、上塔３２と、これら両者間
で熱交換を行う主蒸発器３３とから構成され、上記主熱
交換器２からの原料空気はまずこの精溜塔３の下塔３１
下部に入れられる。
下塔３１に入った原料空気はこの下塔３１内を上昇する
間に遠流ＬＮ２と接触し、しだいにそのＮ２ｍ１度が高
められ、下塔３１ｍ’ｉ部では高純度Ｎ２となる。この
Ｎ２は主蒸発＆Ｉ３３に入り上塔３２のＬＯ２と熱交換
して凝縮することによりＬＮ２となる。このＬＮ２は、
その一部が還流液として上塔３２頂部に導管３１１を通
して供給され、残部が還流液として下塔３１頂部に戻さ
れる。
この還流液は下塔３１を下っていく間にこの下塔３１内
を上昇してくる原料空気と接触してｏ２濃度が高められ
、この下塔３１底部に０２が４０％程度含まれる液体空
気となって溜められる。そしてこの液体空気は下塔３１
底部から取出されて上塔３２中部に導管３１２を通して
供給される。
この液体空気は、上塔３２中部から下方に流れる間に０
２が濃縮されて上塔３２底部には高純度のＬＯ２が溜り
、このＬＯ２は上記蒸発６３３のＮ２と熱交換してガス
化した後、導管３２０を通してガス酸素《以下ＧＯ２と
いう》として取出される。このＧＯ２は主熱交換器２に
上記導管３２０を通して送られ、この主熱交換器２で原
料空気と熱交換され、これが製品ＧＯ２として需要先に
供給される。一方、上塔３２頂部からは高純度Ｎ２が取
出され、この高純度Ｎ２は主熱交換器２に導管３２１を
通して送られ、この主熱交換器２で原料空気を冷却した
後、製品ガス窒素《以下製品ＧＮ２という》として需要
先に供給される。
また上記ＬＮ２　、ＬＯ２の分離精製のための寒冷は、
膨脹タービン６によって原料空気の一部を断熱膨脹させ
て発生させ、これを精溜塔３の上塔３２中部に専管６０
０を通して供給している。
なお上塔３２上部からは純度の低いＮ２が図示しない導
管を通して取出され、この低純度Ｎ２を利用して上記前
処理用吸着塔の再生が行われる。
一方、上記需要先が転炉や電気炉などを用いた製鉄所で
ある場合には、上記製品ＧＯ２などの消費特性が連続的
でなく、間欠的であるために、上記空気分離手段からの
製品ＧＯ２などの供給も間欠的にする必要がある。とこ
ろが、上記空気分離手段においては、定常状態での運転
を継続することによりほぼ一定の純度の製品ＧＮ２や製
品Ｇｏ２が得られるために、需要先での需要に応じてそ
の運転を途中で停止したり変ｉｌｌざせたりすることは
できない。
このため従来は、第２図に示す空気分離手段と需要先と
の間に製品ＧＯ２などを蓄えるガスホルダーＨからなる
供給手段を設けることが行なわれている。この場合は、
上記空気分離手段の′ｌｌ続運転により製造された製品
ＧＯ２などを上記ガスホルダーに高圧下で蓄え、このガ
スホルダーＨから製品Ｇ０２゛などを需要に応じて需要
先へ供給するようにされる。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところが、供給手段として上記ガスホルダー■を設けた
場合には、需要先への供給が停止されている・間も製品
ＧＯ２などがガスホルダーに蓄えられるために、比較的
大容量のガスホルダーが必要となる。このためこのガス
ホルダーによって空気分離装置がかなり大規模になる。
ここで空気分離装置をコンパクトにするために、第３図
に示すように供給手段として製品ＬＮ２タンク４や製品
ＬＯ２タンク５を設け、これらのタンクにＮ２や０２を
ガスの状態ではなく液体の状態で蓄えるようにすること
が考えられる。この場合には、精溜塔３の下塔３１頂部
のＬＮ２が導管３１１を通して取出される際に、そのＬ
Ｎ２の一部が製品しＮ２として導管４００を通して上記
製品ＬＮ２タンク４に取出され、また精溜＠３の上塔３
２底部のＬＯ２が導管５００を通して製品Ｌｏ２として
製品ＬＯ２タンク５に取出される。そしてこの製品ＬＮ
２タンク４や顎品ＬＯ２タンク５からは、１Ｎ２やＬＯ
２が需要先からの需要に応じてポンプ４１．５１によっ
て取出され、このＬＮ２やＬＯ２は蒸発器４０．５０に
よってガス化され、製品ＧＮ２や製品ＧＯ２として霊要
先に供給される。
ところが第３図に示す供給手段と空気分離手段とを組谷
せた構成では、蒸発器４０．５０において製品ＬＮ２や
製品ＬＯ２が大気や温水などと熱交換されるために、こ
の製品ＬＮ２や製品１０２が有する冷熱エネルギーがま
ったく利用されないまま無駄に放出されてしまう。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであ
り、需要先での需要変動に対応して製品ガスを供給する
ことができ、しかも供給に際するエネルギーを有効利用
して液化分離に伴う動力消費を低減することができる空
気分離装置を提供することを目的としている。
（課題を解決するための手段〕 上記目的を達成するために、この発明の請求項１では、
空気圧縮機と、この空気圧縮機により取入れた原料空気
を冷却する主篇交換器と、冷却された原料空気から選択
的に組成成分を液状で分離する精溜塔とを有する空気分
離手段からなる空気分離装置において、上記空気分離手
段には上記液状組成成分を気化させて需要先に供給する
供給手段が設けられ、この供給手段は上記液状組成成分
を蓄えるように上記精溜塔と接続された組成成分タンク
と、空気圧縮機によって取入れた空気を上記組成成分タ
ンクから取出した液状組成成分によって冷却する第２の
熱交換器と、この第２の熱交換器によって液化された空
気を蓄える液体空気タンクとが備えられ、この液体空気
タンクと精溜塔とは上記液体空気タンク内の液体空気が
精溜塔に供給可能に互いに接続されているように構成し
た。
請求項２では、請求項１において複数の空気分離手段と
、一つの供給手段とによって構成されるようにした。
請求項３では、組成成分として、窒素および酸素のいず
れか一方、または双方を選択して原料空気から分離する
ように構成した。
請求項４では、液体空気タンクからの液体空気が精溜塔
に原料空気として供給されるように構成した。
請求項５では、液体空気タンクからの液体空気が精溜塔
に分離のためなどの寒冷源として供給されるように構成
した。
請求項６では、空気分離手段と供給手段とで必要なすべ
ての寒冷を発生する寒冷発生手段を上記供給手段側に設
けて構成した。
（作用） 上記請求項１の構成によれば、組成成分タンクから取出
された液状組成成分の冷熱エネルギーによって空気が液
化されるために、上記冷熱エネルギーを有効利用するこ
とができる。さらに液化された空気を原料空気および寒
冷源として精溜塔に送ることにより、寒冷発生のための
動力を低減することができる。
請求項２の構成によれば、一つの空気分離手段に対して
一つの供給手段を組合せる場合と比べて装置がコンパク
トになる。
（実施例） 第１図において、空気分離＊＠は空気分離手段Ａと供給
手段Ｂとから構成される。空気分離手段Ａは、第１の空
気圧縮機１１と、原料空気を前処理する吸着塔（図示せ
ず）と、原料空気を冷却する主熱交換器２と、原料空気
からＬＮ２およびＬｏ２を分離する精溜塔３と、寒冷を
発生させる膨脹タービン６とから基本構成されている。
また供給手段Ｂは、製品ＬＮ２を蓄えるＬＮ２タンク４
と、製品ＬＯ２を蓄える製品ＬＯ２タンク５と、それぞ
れのタンク４．５から製品ＬＮ２や液体ＬＯ２を取出す
ポンプ４１．５１と、第２の空気圧縮機１２と、上記製
品上Ｎ２や製品ＬＯ２とこの第２の空気圧縮機１２によ
って取入れた空気とを互いに熱交換させる蒸発器（第２
の熱交換器）７と、この蒸発器７によって液化された空
気を蓄える液体空気タンク８とから基本構成されている
。
上記空気分離手段八における前処理用吸着塔は一対の吸
着器からなり、一方の吸着器で原料空気から水分（Ｈ２
　０）および炭酸ガス＜ＣＯ２）を吸着除去する間に、
他方の吸着器は精溜塔３からの比較的低純度のＮ２によ
って再生されるように構成されている。
上記第１の空気圧縮機１１は上記前処理用吸着塔が介在
された導管１１０によって主熱交換器２と接続され、こ
の主熱交換器２は導管１１１によってｌｉｌｌｌｉ塔３
の下塔３１下部と接続される。主熱交換器２でその液化
温度付近まで冷却された原料空気は、導管１１１によっ
て下塔３１下部に導入される。
上記精溜塔３は、下塔３１と、上塔３２と、これらの間
に設けられた蒸発器３３とから構成される。下塔３１頂
部には受皿３４が設けられ、この受皿３４には導管３１
１と導管４００との一端が接続されている。一方の導管
３１１は上塔３２上部に接続され、他方の導管４００は
製品ＬＮ２タンク４と接続されている。また下塔３１底
部と上塔３２中部とは導管３１２によって接続されてい
る。また上記上塔３２頂部は導管３２１によって主熱交
換器２と接続されている。また上塔３２底部には導管５
００の一端が接続され、この導管５００はＬＯ２タンク
５と接続されている。
また主熱交換器２内でｗ＃管１１０が分岐され、この分
岐管６００は膨服タービン６を介在して精溜塔３の上塔
３２中部に接続されている。さらに上塔３２上部には図
示しないｙｇ管が接続され、この導管は主熱交換器２を
介して再生用ガスを前処理用吸着塔に供給するように上
記前処理用吸着塔と接続されている。
ＬＮ２タンク４およびＬＯ２タンク５にはポンプ４１．
５１が接続され、このポンプ４１．５１は導管４１１，
５１１によってＬＮ２やＬＯ２を送給可能に蒸発器７と
接続され、この蒸発器７はガス化された製品ＧＮ２や製
品ＧＯ２が転炉や電気炉などを有する製鉄所ＬＫＩ要先
》まで送給可能に導管４１２．５１２にようて上記需要
先と接続されている。
また第２の空気圧縮機１２は導管１２０によって蒸発器
７と接続され、この蒸発器７は液化された液体空気を送
給可能に導管１２１によって液体空気タンク８と接続さ
れている。さらにこの液体空気タンク８には導管１２２
の一端がｍ続され、この導管１２２の他端は液体空気を
送給可能に精溜塔３の下塔３１中部と接続されている。
なお上記導管１２０には、図示しない第２の前処理用吸
着塔が介在されている。
つぎに、上記構成の空気分離装置によるプロセスを、ま
ず空気分離手段Ａでの基本的なプロセスから説明する。
原料空気は、第１の空気圧縮ｌｌ１１により圧縮され、
図示しない吸着塔により原料空気中の水分（Ｈ２　０）
および炭酸ガス（ＣＯ２　）などが吸着除去され、前処
理された残りの原料空気が深冷部Ｃ内の主熱交換器２に
ｌ管１１０を通して送られる。この主熱交換器２で上記
原料空気は、その沸点近くまで冷却された後に、導管１
１１を通して精溜塔３の下塔３１に入れられる。
下塔３１に入った原料空気はこの下塔３１内を上昇する
間に還流ＬＮ２と接触し、しだいにそのＮ２濃度が高め
られ、下塔３１頂部では高純ＵＮ２となる。このＮ２は
主蒸発器３３に入り．Ｌ塔３２のＬＯ２と熱交換して凝
抛することによりＬＮ２となる。このＬＮ２は、その一
部が還流液として上塔３２頂部に導管３１１を通して供
給され、他の一部がｙＩＪｔ１４００を通してＬＮ２タ
ンク４に送られ、また残部が還流液として下塔３１頂部
に戻される。
この還流液は下Ｗ１３１を下っていく間にこの下塔３１
内を上昇してくる原料空気と接触してｏ２ｍ度が高めら
れ、この下塔３１底部に０２が４０％程度含まれる液体
空気となって溜められる。そしてこの液体空気は下塔３
１底部から取出されて上塔３２中部に尋管３１２を通し
て供給される。
この液体空気は、上塔３２中部から．下方に流れる間に
０２が濃縮されて上塔３２底部には高純度のＬＯ２が溜
り、このＬＯ２の一部は蒸発器３３でＮ２と熱交換して
ＬＯ２は蒸発してＧＯ２となり、これが上塔３２での精
溜塔上昇ガスとなって精留操作が行われる。残りの１０
２は導管５００を通して取出され、ＬＯ２タンク５に蓄
えられる。
一方、上塔３２頂部からは高純度Ｎ２が取出され、この
高純度Ｎ２は主熱交換Ｂ２に導管３２１を通して送られ
、この主熱交換器２で原料空気を冷却する。
また第１の空気圧縮機１２によって主熱交換器２に送ら
れた原料空気の一部は膨脹タービン６で断熱膨服されて
寒冷が発生され、これを精溜塔３の上塔３２中部に導管
６００を通して供給される。
供給手段Ｂでは、ポンプ４１．５１の作動により需要先
からの需要に応じてＬＮ２やＬＯ２が蒸発器７に導管４
１１．５１１を通して送られる。
一方、第２の空気圧縮ｌ１１２も上記需要に応じて作動
され、これにより空気が取入れられ、この空気は図示し
ない第２の前処理用吸着塔により前処理された後、蒸発
器７に々管１２０を通して送られる。
この蒸発器７では導管４１１．５１１からのＬＮ２およ
びＬＯ２と、導管１２０からの空気とが熱交換される。
これによって上記ＬＮ２やＬＯ２はガス化され、製品Ｇ
Ｎ２や製品ＧＯ２として需要先に導管４１２．５１２を
通して供給される。
また、上記空気は上記ＬＮ２などによって冷却されて液
化し、液体空気が導管１２１を通して液体空気タンク８
に蓄えられる。この液体空気タンク８の液体空気は、連
続運転されている空気分離手段Ａの精溜塔３へ導管１２
２を通してその下塔３１中部に一定流量供給される。こ
れによって上記液体空気は導管１１１から供給される原
料空気とともに原料空気として利用され、また分離に際
する寒冷源の一部としても利用される。
このように導管６００を通して供給される膨脹タービン
６からの寒冷の他に、導管１２２を通して供給手段Ｂか
ら液体空気としての寒冷が精溜塔３に供給されるために
、この液体空気が供給されない場合と比べて、空気分離
手段Ａでの寒冷発生量を上記供給手段Ｂから供給される
寒冷の分だけ減らすことができ、これによりその寒冷発
生に要する動力を低減することができる。
さらに従来の供給手段としてガスホルダーを用いる場合
に比べて、液体の状態で蓄えることができるために、装
置全体をコンパクトにすることができる。
第４図には第２実施例が示されている。これは供給手段
Ｂの蒸発器７に膨脹タービン《寒冷発生手段）６ａを設
け、この膨脹タービンによって第２の空気圧縮機１２か
らの空気の一部を断熱膨脹させて寒冷を発生させ、この
寒冷を蒸発器７での空気の液化を促進し、ここで得られ
る寒冷を液体空気の形で空気分離手段Ａに与えるように
構成したものである。これにより、空気分離手段Ａで分
離などに必要な寒冷や供給手段Ｂでの低温維持のための
寒冷などが上記膨脹タービン６ａによって発生され、こ
れにより第１実施例における空気分離手段Ａでの膨脹タ
ービン６（第１図参照）を省略することができる。
なお上記第１および第２実施例における他の態様を以下
に説明する。
Ａ．上記実施例では、一つの空気分離手段八と一つの供
給手段Ｂとによって空気分離装置を構成しているが、こ
れに限らず、複数の空気分離装置Ａ．Ａ．・・・と一つ
の供給手段Ｂとによって空気分離装置を構成してもよい
。′この場合には複数の精溜塔からのＬＮ２やＬＯ２な
どをＬＮ２タンクやＬＯ２タンクなどに蓄えるとともに
、液体空気タンクから複数の精溜塔に液体空気が供給さ
れるように構成すればよい。これによって一つの空気分
離手段Ａ毎に一つの供給手段Ｂを備える場合に比べて装
置がコンパクトになる。
Ｂ．上記実施例では、組成成分としてＮ２とＯ２との２
成分を選択し、原料空気からＬＮ２とＬ０２とを分離し
て需要先に供給するようにしているが、これに限らず、
いずれか一方のみを原料空気から分離して供給するよう
に構成してもよい。
さらに原料空気からアルゴンを液状で分離して需要先に
供給するように構成してもよい。さらに、例えば原料空
気からＬＮ２とＧＯ２とに分離してＬＮ２について上記
実施例を適用するようにしてもよい。
Ｃ．上記実施例では、液体空気タンク８からの液体空気
を精溜塔３の下塔３１中部に供給するようにしているが
、これに限らず、例えば膨脹タービン６からの寒冷供給
先である精溜塔３の上塔３２中部に供給するように構成
してもよい。
Ｄ．上記実施例では空気分離手段Ａと供給手段Ｂとのそ
れぞれに空気圧縮機１１．１２を設けているが、これに
限らず、例えば一つの空気圧縮機によって両手段Ａ．Ｂ
へ空気を分配供給させるように構成してもよい。
Ｅ．上記実施例におけるポンプ４１．５１を第５図に示
すように導管４００，５００に設け、このポンプ４１８
．５１ａによってタンク４．５内の圧力を上げることに
より、内部のＬＯ２　．ＬＮ２を送給させるようにして
もよい。
Ｆ．また需要先で要求されるＬＮ２などの圧力が比較的
低い場合には第１図，第５図に示すポンプ４１．４１ａ
，５１．５１ａを省略してもよい。
この場合には精溜塔３から導管４００．５００を通して
取出される際の１０２　．ＬＮ２の圧力によって′ｍ要
先まで送給すればよい。
〔発明の効果〕 この発明の請求項１の空気分離装置によれば、空気分離
手段の定常運転を継続しつつ、供給手段によって製品ガ
スの供給を需要先での需要変動に対応して行うことがで
きる。しかも供給に際し、液状組成成分の冷熱エネルギ
ーを空気の液化に有効利用することができ、この液体空
気を空気分離手段での寒冷源として利用することにより
、上記供給手段を設けない場合に比べて空気分離手段で
の液化分離に伴う動力消費を軽減することができる。
請求項２の構成によれば、一つの空気分離手段に対して
一つの供給手段を組合せる，場合と比べて装置をコンパ
クトにすることができる。
請求項３の構成によれば、需要先としての製鉄所などか
ら必要とされるＧＯ２などを、その需要変動に対応して
確実に供給することができる。
請求項４の構成によれば、供給手段からの液体空気を原
料空気め一部としても利用することができる。
請求項６の構成によれば、寒冷発生手段を空気分離手段
側に設ける必要がなく、装置全体を簡易に構成すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明の第１実施例を示す説明図、第２図は
従来の空気分離装置を示す説明図、第３図は従来の課題
を解決するために考えられる構成を示す説明図、第４図
は第２実施例を示す説明図、第５図は第１実施例の他の
態様を示す説明図、第６図は上記第１実施例の第５図と
は異なる他の態様を示す説明図である。 ２・・・主熱交換器、３・・・精溜塔、４・・・ＬＮ２
タンク、５・・・ＬＯ２タンク、６ａ・・・膨脹タービ
ン、７・・・蒸発器、８・・・液体空気タンク、１１．
１２・・・空気圧縮機、Ａ・・・空気分離手段、Ｂ・・
・供給手段。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、空気圧縮機と、この空気圧縮機により取入れた原料
    空気を冷却する主熱交換器と、冷却された原料空気から
    選択的に組成成分を液状で分離する精溜塔とを有する空
    気分離手段からなる空気分離装置において、上記空気分
    離手段には上記液状組成成分を気化させて需要先に供給
    する供給手段が設けられ、この供給手段は上記液状組成
    成分を蓄えるように上記精溜塔と接続された組成成分タ
    ンクと、空気圧縮機によって取入れた空気を上記組成成
    分タンクから取出した液状組成成分によつて冷却する第
    ２の熱交換器と、この第２の熱交換器によって液化され
    た空気を蓄える液体空気タンクとが備えられ、この液体
    空気タンクと精溜塔とは上記液体空気タンク内の液体空
    気が精溜塔に供給可能になるように互いに接続されてい
    ることを特徴とする空気分離装置。 ２、複数の空気分離手段と、一つの供給手段とによって
    構成されることを特徴とする請求項１記載の空気分離装
    置。 ３、組成成分として、窒素および酸素のいずれか一方、
    または双方を選択して原料空気から分離することを特徴
    とする請求項１または請求項２記載の空気分離装置。 ４、液体空気タンクからの液体空気が精溜塔に原料空気
    として供給されるように構成されていることを特徴とす
    る請求項１〜３のいずれかに記載の空気分離装置。 ５、液体空気タンクからの液体空気が精溜塔に寒冷源と
    して供給されるように構成されていることを特徴とする
    請求項１〜３のいずれかに記載の空気分離装置。 ６、空気分離手段と供給手段とで必要なすべての寒冷を
    発生する寒冷発生手段を上記供給手段側に設けたことを
    特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の空気分離装
    置。
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