JPH0814459B2 - 空気液化分離方法 - Google Patents

空気液化分離方法

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JPH0814459B2 JP62016659A JP1665987A JPH0814459B2 JP H0814459 B2 JPH0814459 B2 JP H0814459B2 JP 62016659 A JP62016659 A JP 62016659A JP 1665987 A JP1665987 A JP 1665987A JP H0814459 B2 JPH0814459 B2 JP H0814459B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、酸素や窒素あるいはアルゴン等を採取する
空気液化分離方法において、主として酸素アスを比較的
高い圧力で効率よく採取する空気液化分離方法に関す
る。
〔従来の技術〕
複精留塔を用いて空気を液化分離し、主として酸素ガ
スを採取する方法として、第４図及び第５図の系統図に
示されるものが知られている。
先ず、第４図において、圧縮された原料空気Ａは、熱
交換器１で液化温度近くまで冷却され、複精留塔２の下
部塔３の底部に導入されて下部塔３内で窒素ガスNHと液
化空気LAとに分離する。分離した液化空気LAは過冷器
４、弁５を経て上部塔６の中段に導入され、さらに精留
分離されて窒素ガスNLと液化酸素LOとに分離する。
この液化酸素LOは、上部塔６の底部に配置された主凝
縮器７で下部塔３の上部から導入される窒素ガスNHと熱
交換を行ない、気化して酸素ガスGOとなり上部塔６の上
昇ガスとなる。液化酸素LOの一部は、主凝縮器７から導
出され、弁８で減圧されて主凝縮器７とは別に設けたデ
ィップ式の副凝縮器９に導入され、下部塔３の上部から
導入される窒素ガスNHと熱交換を行ない気化し、酸素ガ
スGOとなった後に熱交換器１に導入され原料空気Ａと熱
交換して常温となり製品として取り出される。
下部塔３で分離した窒素ガスNHは、一部が塔外に導出
され、残部が前記主凝縮器７及び副凝縮器９に導入され
て前記液化酸素LOと熱交換し、凝縮液化して液化窒素LN
となる。この液化窒素LNの一部は、再び下部塔３の上部
に導入され下部塔３の還流液となり、残部の液化窒素LN
は過冷器４、弁10を経て上部塔６の上部に導入され、上
部塔６の還流液となる。
また、塔外に導出された窒素ガスNHの一部は、熱交換
器１に導入されて原料空気Ａと熱交換して中間温度に昇
温した後に、膨張タービン11で断熱膨張し、寒冷を発生
して低温低圧の窒素ガスNPとなり、再び熱交換器１に導
入され原料空気Ａと熱交換して常温となる。
上部塔２の上部から導出された窒素ガスNLは、過冷器
４で前記液化空気LA及び液化窒素LNと熱交換した後に、
前記膨張タービン11で低温低圧とされた窒素ガスNPと合
流して、熱交換器１に導入される。
また、第５図に示されるものでは、ディップ式の副凝
縮器９を主凝縮器７より下方に配設するとともに、液化
酸素LOを気化させる熱源を前記窒素ガスNHより温度の高
い原料空気Ａとして、位置の差による液化酸素LOの液深
圧（液ヘッド）を利用して圧力を高くした液化酸素LOを
副凝縮器９に導入してその内部圧力を高くし、酸素ガス
GOの導出圧力を高めたものである。
〔発明が解決しようとする課題〕
これらの空気液化分離方法では、動力原単位の低減、
分離効率の向上あるいは採取ガスの圧力の上昇等が望ま
れているが、前者の方法では主凝縮器とディップ式の副
凝縮器で、同じ下部塔からの窒素ガスを用いて液化ガス
を気化させるために、副凝縮器から導出する酸素ガスの
圧力を下げなければならず、また下部塔の運転圧力も副
凝縮器において酸素と熱交換可能な圧力に維持しなけれ
ばならないから、原料空気の圧縮圧を下げて動力原単位
を低減することが困難であった。
例えば、上部塔の運転圧力を0.36kg/cm2G、上部塔底
部の主凝縮器に溜まる液化酸素の組成を85％O2とする
と、その沸点は−183.6℃、これと平衡な酸素ガス組成
は61％O2となる。また、上部塔から副凝縮器に導入さ
れ、気化して導出する酸素ガスの組成は、上部塔の底部
の液化酸素と同じ85％O2であり、これと平衡な液化酸素
は96％O2となる。
副凝縮器における液化酸素の沸点は、気化した酸素ガ
スを熱交換器を経て系外に導出させるための必要な圧力
の0.19kg/cm2Gとしたときに、−182.5℃となる。副凝縮
器で熱交換する液化酸素と窒素ガスの温度差を1.8℃と
すると、窒素ガスの凝縮温度は−180.7℃となり、この
温度で窒素ガスを凝縮液化させるためには窒素ガスの圧
力、即ち、下部塔の運転圧力を3.5kg/cm2Gとしなければ
ならず、原料空気の圧縮圧力は途中での圧損を入れると
3.8kg/cm2Gとなる。
このように、下部塔の運転圧力は、副凝縮器での液化
酸素の気化温度（沸点）により決まるため、これ以上下
部塔の運転圧力を下げることができなかった。
また、後者の方法では、ディップ式の副凝縮器での液
化酸素の気化を高い圧力で行なうため、凝縮側のガスと
して原料空気を用いなければならず、副凝縮器で原料空
気を液化させるため、下部塔を上昇するガス量及び下降
する還流液量が少なくなり、さらに上昇するガスが少な
くなった分上部塔下部の主凝縮器で液化酸素を気化させ
る熱源が不足するから、上部塔内を上昇するガス量も減
少し、精留効率が低下する。
そこで本発明は、主凝縮器とは別に副凝縮器を設けて
製品として採取される酸素ガスの気化を行ない、副凝縮
器で液化する流体を下部塔上部よりの窒素ガスとして精
留条件の悪化を防ぎ、分離効率を低下させることを無く
し、また、膨張タービン制動ブロワーにより上記窒素ガ
スを昇圧することによって、副凝縮器における温度差を
得て、複精留塔の運転圧力を下げて動力原単位を低減で
き、さらに、製品酸素ガスを高い圧力で採取し得る空気
液化分離方法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〕
本発明は上記の目的を達成するために、上部塔，下部
塔及び主凝縮器よりなる複精溜塔を用いる空気液化分離
方法において、第１発明は、主凝縮器とは別に設けたデ
ィップ式の副凝縮器に上部塔下部の液化酸素を導入して
気化させるとともに、複精留塔の下部塔上部より窒素ガ
スを導出して昇温後に、下部塔上部から導出した窒素ガ
スの一部を断熱膨張させる膨張タービンの制動ブロワー
に導入して昇圧し、再び冷却した後に、前記副凝縮器に
導入して凝縮させ導出して減圧後、前記下部塔上部又は
上部塔上部に導入することを特徴とし、第２発明は、主
凝縮器とは別に設けたドライ式の副凝縮器に上部塔下部
の液化酸素を導入し流下させて気化させるとともに、複
精留塔の下部塔上部より窒素ガスを導出して昇温後に、
下部塔上部から導出した窒素ガスの一部を断熱膨張させ
る膨張タービンの制動ブロワーに導入して昇圧し、再び
冷却した後に、前記副凝縮器に導入して凝縮させ導出し
て減圧後、前記下部塔上部又は上部塔上部に導入するこ
とを特徴としている。
〔作 用〕
これによって、複精留塔の下部塔の運転圧力と関係な
く副凝縮器の圧力と温度を上げられるため、下部塔の圧
力、即ち原料空気の圧縮圧力を低くでき、動力原単位を
低減できるとともに、製品酸素ガスの採取圧力を高くす
ることができる。また、副凝縮器の熱源として下部塔上
部の窒素ガスを用い、副凝縮器で凝縮させた後減圧し
て、その全量を下部塔上部又は上部塔上部に還流液とし
て導入するから、精留効率を低下させることがない。
しかも、膨張タービンで断熱膨張させる流体を下部塔
上部から導出した窒素ガスの一部としたから、当該流体
に空気を用いる場合に比べて精留効率が低下することな
く、製品酸素の収率が向上する。
さらに、第２発明では、ドライ式の副凝縮器を採用し
ているので、液化酸素の液深をなくし、液圧による沸点
上昇をなくして気化効率を上げ、凝縮側の窒素ガスの温
度を下げ、下部塔の運転圧力をさらに低減させることが
できる。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を第１図乃至第３図に示す系統
図に基づいて説明する。尚、前記従来例と同一要素のも
のには同一符号を付して詳細な説明は省略する。
先ず、第１図に示す第１実施例において、前記従来例
と同様に複精留塔２で精留分離された液化酸素LOが上部
塔６の底部から導出され、弁８を経て主凝縮器７とは別
に設けたディップ式の副凝縮器９に導入される。
この液化酸素LOを気化させる熱源となる凝縮側のガス
は、下部塔３の上部から導出された窒素ガスNHを昇圧し
た窒素ガスGNが用いられる。即ち、下部塔３の上部から
導出された窒素ガスNHは、その一部が熱交換器１の通路
1aに導入され、原料空気Ａと熱交換して昇温し、略常温
の窒素ガスN1となる。この窒素ガスN1は、下部塔３上部
から導出した窒素ガスNHの一部を断熱膨張させる膨張タ
ービン11の回転力により作動する膨張タービン制動ブロ
ワ12で圧縮され、下部塔３の運転圧力より高い圧力の窒
素ガスN2となる。次いで冷却器13で、前記昇圧工程で生
じた温度上昇を水冷却等により略常温にまで降温され、
さらに熱交換器１の通路1bに導入されて液化温度近くま
で冷却され、低温の昇圧された窒素ガスGNとなり、前記
液化酸素LOを気化させる熱源として前記副凝縮器９に導
入され、自身は凝縮液化して液化窒素LNとなって、弁14
で減圧された後下部塔３の上部に戻され、下部塔３の還
流液となる。
前記窒素ガスGNの圧力及び流量は、酸素ガスGOの組
成，流量，気化圧力及び膨張タービンによって発生する
動力等により適当な値が選定される。例えば、下部塔３
から導出した窒素ガスNHを昇圧して、4.8kg/cm2Gの窒素
ガスGNとすれば、凝縮温度（沸点）は−177.4℃とな
り、その分、液化酸素LOを高い温度で加熱して気化させ
ることができる。即ち、前記従来例と同様に副凝縮器９
で気化する酸素ガスGOの組成を85％O2に、また、上部塔
６の運転圧力を0.36kg/cm2Gとして、副凝縮器９で気化
させる酸素ガスGOの圧力を上部塔６の運転圧力0.36kg/c
m2Gと等しい圧力としても、その沸点は−181.2℃である
から余裕を持って気化させることができる。
さらに、下部塔３の窒素ガスNHの温度は、主凝縮器７
で液化酸素LOを気化させて自身が液化すれば良いため、
前記液化酸素LOの温度が−183.6℃であるから−181.8℃
で良くなり下部塔の圧力を3.1kg/cm2Gに下げることがで
きる。これにより原料空気Ａの圧縮圧力を、途中での圧
損を入れて従来例の3.8kg/cm2Gから3.4kg/cm2Gに下げる
ことができ、動力原単位を約５％低減できる。また、従
来法に比して精留条件が良くなることから、原料空気量
を約10％低減できる。
また、本実施例では、副凝縮器９で凝縮した液化窒素
LNを下部塔３に戻して還流液とするとともに膨張タービ
ン11で断熱膨張させる流体を下部塔３上部から導出した
窒素ガスNHの一部としたから、当該流体に空気を用いる
場合に比べて、下部塔３の運転に必要な還流液や上昇ガ
スが減少することがなく、精留効率が低下せず、製品酸
素の収率が向上する。
尚、熱交換器１は原料空気Ａ中の炭酸ガス，水分の除
去を機能を持たせた可逆式熱交換器とすることもでき
る。
第２図は本発明の第２実施例を示すもので、ディップ
式の副凝縮器９を前記従来例の第５図に比して、主凝縮
器７より下方に配設して液化酸素LOの液圧を自重により
高め、これによって液体酸素LOを副凝縮器９に導入する
とともに主凝縮器７の圧力よりもさらに高い圧力で酸素
ガスGOを得たものである。
前記の如く、窒素ガスGNの圧力を4.8kg/cm2Gとして凝
縮温度−177.4℃とすれば、液化酸素LOの温度を−179.2
℃にまで上昇でき、酸素ガスGOの圧力を従来の0.2kg/cm
2Gから0.66kg/cm2Gとすることができる。
これにより、製品酸素ガスをより高い圧力で供給でき
るとともに下流に昇圧機を設ける場合はこの昇圧機の動
力を削減でき、かつ昇圧機を小型化することができる。
また、本実施例では、副凝縮器９からの液化窒素LN
を、過冷器４で冷却してから弁15を通して減圧し、上部
塔６の上段に導入して上部塔６の還流液としている。
尚、この液化窒素LNは、このように上部塔６に導入する
か前記第１実施例と同様に下部塔３上部に戻すかは条件
により自由に選択できる。
第３図は本発明の第３実施例を示すもので、副凝縮器
16をドライ式として、液化酸素LOを流下させながら気化
させることにより、液化酸素LOの液深を無くし、液圧に
よる沸点上昇を無くして気化効率を上げ、凝縮側の窒素
ガスGNの温度を下げ、運転圧力をさらに低減させるもの
である。
そして、副凝縮器16の熱源は、下部塔３上部から導出
して熱交換器１で昇温後に、制動ブロワー12で昇圧して
再び熱交換器１で冷却した窒素ガスGNであり、この窒素
ガスGNは、副凝縮器16て凝縮して弁14で減圧後、下部塔
３上部に還流液として導入している。
尚、この副凝縮器16で凝縮した液化窒素LNは第２図の
実施例と同様に減圧後上部塔６上部に還流液として導入
してもよい。
また、上記各実施例では、１つの熱交換器を用いてい
るが、副凝縮器の熱源となる窒素ガスの循環系に別の熱
交換器を設けることもできる。
以上各実施例で説明したように、下部塔の運転圧力と
関係なく窒素ガスを昇圧して副凝縮器の液化酸素の気化
熱源として用いることにより、酸素ガスの気化圧力を高
くできるとともに、下部塔の圧力を低くして動力原単位
を低減でき、さらに酸素ガスを製品として他に送出する
場合は、圧縮機の動力原単位も低減できる。
尚、副凝縮器での熱源となる窒素ガスの昇圧は独立し
た圧縮機を用いてもよいが、独立した圧縮器はコストの
上昇を招くので膨張タービン制動動力を有効利用する本
発明方法に劣る。また、酸素あるいは窒素の組成は採取
する製品の質や物質収支などにより決められるもので、
純度に関係なく本発明の方法を適用することができる。
〔発明の効果〕
本発明の空気液化分離方法は、以上説明したように、
主凝縮器とは別に設けたディップ式あるいはドライ式の
副凝縮器に上部塔下部の液化酸素を導入して気化させる
とともに、複精留塔の下部塔上部より窒素ガスを導出し
て昇温後に、下部塔上部から導出した窒素ガスの一部を
断熱膨張させる膨張タービンの制動ブロワーに導入して
昇圧し、再び冷却した後に、前記副凝縮器に導入して凝
縮させ導出して減圧後、前記下部塔上部又は上部塔上部
に導入するから、副凝縮器で液化酸素を気化させる熱源
とする窒素ガスの圧力を上げて凝縮液化温度を高くで
き、副凝縮器での液化酸素の気化圧力を高くでき、酸素
ガスを製品として採取する際の採取圧力を上昇させ、圧
縮して送ガスする場合は圧縮機の原単位も低減できて大
幅なコストダウンを図れる。
また下部塔の運転圧力と関係なく副凝縮器の圧力と温
度を上げられるため、下部塔の圧力、即ち原料空気の圧
縮圧力を低くでき、動力原単位を低減できる。さらに、
副凝縮器で凝縮した後の液化窒素を減圧して、その全量
を下部塔上部又は上部塔上部に還流液として導入するか
ら、精留効率を低下させることがない。
しかも、膨張タービンで断熱膨張させる流体を下部塔
上部から導出した窒素ガスの一部としたから、当該流体
に空気を用いる場合に比べて精留効率が低下することな
く、製品酸素の収率が向上する。
また、第２発明では、ドライ式の副凝縮器を採用して
いるので、液化酸素の液深をなくし、液圧による沸点上
昇をなくして気化効率を上げ、凝縮側の窒素ガスの温度
を下げ、下部塔の運転圧力をさらに低減させることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
第１図乃至第３図は本発明の実施例を示すもので、第１
図は第１実施例を示す系統図、第２図は副凝縮器を下方
に配設した第２実施例を示す系統図、第３図はドライ式
の副凝縮器を用いた第３実施例を示す系統図、第４図及
び第５図は従来例を示すそれぞれの系統図である。 1,17……熱交換器、２……複精留塔、３……下部塔、６
……上部塔、７……主凝縮器、９……ディップ式の副凝
縮器、11……膨張タービン、12……膨張タービン制動ブ
ロワ、13……冷却器、16……ドライ式の副凝縮器、Ａ…
…原料空気、GN,NH,NL,N1,N2……窒素ガス、GO……酸素
ガス、LN……液化窒素、LO……液化酸素

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】上部塔，下部塔及び主凝縮器よりなる複精
    留塔を用いる空気液化分離方法において、主凝縮器とは
    別に設けたディップ式の副凝縮器に上部塔下部の液化酸
    素を導入して気化させるとともに、複精留塔の下部塔上
    部より窒素ガスを導出して昇温後に、下部塔上部から導
    出した窒素ガスの一部を断熱膨張させる膨張タービンの
    制動ブロワーに導入して昇圧し、再び冷却した後に、前
    記副凝縮器に導入して凝縮させ導出して減圧後、前記下
    部塔上部又は上部塔上部に導入することを特徴とする空
    気液化分離方法。
  2. 【請求項２】上部塔，下部塔及び主凝縮器よりなる複精
    留塔を用いる空気液化分離方法において、主凝縮器とは
    別に設けたドライ式の副凝縮器に上部塔下部の液化酸素
    を導入し流下させて気化させるとともに、複精留塔の下
    部塔上部より窒素ガスを導出して昇温後に、下部塔上部
    から導出した窒素ガスの一部を断熱膨張させる膨張ター
    ビンの制動ブロワーに導入して昇圧し、再び冷却した後
    に、前記副凝縮器に導入して凝縮させ導出して減圧後、
    前記下部塔上部又は上部塔上部に導入することを特徴と
    する空気液化分離方法。
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