JP2873473B2 - 空気液化分離方法 - Google Patents

空気液化分離方法

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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、空気液化分離方法に関し、特に常時一定量
の製品ガスを効率よく製出することのできる空気液化分
離方法に関する。
〔従来の技術〕
例えば、酸素を大量に使用する製鉄工業等では、大型
の空気液化分離装置を設置して酸素を供給している。こ
のような工業施設では、時間帯や曜日等により電力の使
用量や費用が大きく変動し、例えば昼間は電力使用量が
増大し、夜間は使用量が大幅に減少する。一方、電力会
社においては、上述のごとき昼夜の電力使用量の差を少
なくするために、夜間の電力料金を割引して夜間の電力
需要を喚起している。そのため、空気液化分離装置にお
いても、工場全体の電力使用量のバランスや電力料金を
考慮して、運転状態を切換えて電力使用量を増減できる
ことが望ましい。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、一般の空気液化分離装置では、原料空
気圧縮機の処理量を減量して通常運転と減量運転とを切
換えることにより電力使用量を増減できるものの、製品
の製出量も運転状態により変化してしまうため、一定量
の製品を生産する必要があるものには適用できなかっ
た。また、空気液化分離装置の電力消費は、そのほとん
どが原料空気圧縮機で消費されているため、他の部分で
電力消費を増減してもほとんど効果は期待できない。
本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、一定量の
製品を製出しつつ、電力使用量も増減することのできる
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〕
上記した目的を達成するために、本発明の空気液化分
離方法は、まず第１の構成として、原料空気を圧縮し、
精製，冷却して液化分離し、酸素ガスを製品として採取
する空気液化分離方法において、前記酸素ガス製出量に
対して原料空気圧縮機の能力を大きく設定するととも
に、該原料空気圧縮機を略最大処理能力で運転し、必要
とする酸素ガス量より余分に生産される酸素を液化酸素
として貯蔵し、該液化酸素の貯蔵に必要な寒冷を液化窒
素の導入により賄う増量運転モードと、前記原料空気圧
縮機を減量運転し、必要とする製品酸素ガス量に不足す
る酸素ガス量に応じて前記増量運転モードで貯蔵した液
化酸素を導入し、該液化酸素の導入により余剰となる寒
冷相当分の液化窒素を貯蔵する減量運転モードとを交互
に行うことを特徴としている。
また本発明は、第２の構成として、原料空気を圧縮
し、精製，冷却して液化分離し、酸素ガス及び窒素ガス
を製品として採取する空気液化分離方法において、前記
酸素ガス製出量に対して原料空気圧縮機の能力を大きく
設定するとともに、該原料空気圧縮機を略最大処理能力
で運転し、必要とする量より余分に生産される酸素及び
窒素を液化ガスとして貯蔵し、該液化ガスの貯蔵に必要
な寒冷を液化空気の導入により賄う増量運転モードと、
前記原料空気圧縮機を減量運転し、必要とする製品酸素
ガス量及び製品窒素ガス量に不足する酸素ガス量及び窒
素ガス量に応じて前記増量運転モードで貯蔵した液化酸
素及び液化窒素を導入し、該液化酸素及び液化窒素の導
入により余剰となる寒冷相当分の液化空気を貯蔵する減
量運転モードとを交互に行うことを特徴としている。
さらに本発明は、第３の構成として、上記第１又は２
の構成において、原料空気圧縮機を複数基配設し、前記
増量運転モード及び減量運転モードに応じて適数の原料
空気圧縮機を運転することを特徴としている。
〔作 用〕
上記本発明によれば、減量運転モードで原料空気圧縮
機の使用電力量を低減しながら液化酸素の導入により酸
素ガスの製出量を略一定に保つことができる。また増量
運転モード時に余剰となる酸素を液化酸素として貯蔵す
ることにより、減量運転モードで必要な液化酸素を容易
に得ることができる。
従って、製品として製出する酸素ガスの量を常時略一
定に保ちながら電力消費量を増減させることができる。
また第２の構成のごとく、液化窒素を液化酸素と同様
に貯蔵，導入することにより、製出する製品窒素ガスの
量も常時略一定に保つことができる。
さらに第３の構成のごとく、原料空気圧縮機を複数基
設けることにより、増量運転モードと減量運転モードと
の間の原料空気の供給量及び動力費の差を大きくでき
る。
〔実施例〕
以下、本発明を図面に示す実施例に基づいてさらに詳
細に説明する。
まず、第１図乃至第３図は本発明の第１実施例を示す
もので、第１図は本発明を適用した空気液化分離装置の
要部の系統図、第２図は増量運転モードの説明図、第３
図は減量運転モードの説明図である。
空気液化分離装置１は、原料空気Ａを原料空気圧縮機
（以下、単に圧縮機という）２で所定の圧力に圧縮し、
精製装置３で原料空気中の水分や炭酸ガス等の不純物を
除去して精製した後に熱交換器４で後述の製品となる酸
素ガスや窒素ガス及び排ガス等と熱交換させて液化点付
近まで冷却し、複精留塔５の下部塔６の底部に導入して
該複精留塔５で液化精留分離を行い原料空気中の窒素や
酸素を分離する。
原料空気Ａは、下部塔６内での精留操作により、該下
部塔６底部の酸素富化液化空気（以下、液化空気とい
う）LAと上部の窒素ガスGNとに分離する。液化空気LA
は、下部塔６の底部から導出されて減圧弁（図示せず）
で減圧した後に上部塔７の中段に導入される。また下部
塔６上部の窒素ガスは、一部が窒素ガスGNとして塔外に
導出され、残部が凝縮蒸発器８で凝縮液化して液化窒素
LNとなる。この液化窒素LNの一部は下部塔の還流液とな
り、残部は下部塔６から導出され、減圧した後に上部塔
７の頂部に還流液として導入される。
上部塔７では、前記液化空気LAと液化窒素LNとで精留
が行われ、上部塔上部に窒素ガスが分離し、上部塔底部
に液化酸素が分離する。上部塔底部の液化酸素は、前記
凝縮蒸発器８で蒸発気化して酸素ガスとなり、一部が製
品酸素ガスPOとして導出され、残部が上部塔７の上昇ガ
スとなる。また上部塔上部の窒素ガスは、該塔頂部から
製品窒素ガスPNとして導出され、上部塔上部中段からは
排ガスＷが排出される。これらの複精留塔５から導出さ
れる各種ガスは、前記熱交換器４で原料空気Ａを冷却し
た後に製品として需要先に供給され、あるいは精製装置
３の再生等に使用される。
そして本発明を実施するために、前記圧縮機２には、
製品酸素ガスPOの所要量を製出するのに必要な容量より
大容量の圧縮機が用いられるとともに、複精留塔５に
は、前記下部塔上部から導出された液化窒素LNを貯蔵す
る液化窒素貯槽９と、上部塔底部の液化酸素LOを導出し
て貯蔵する液化酸素貯槽10とが設けられている。
上記液化窒素貯槽９及び液化酸素貯槽10は、それぞれ
運転モードに応じて液化窒素LN,液化酸素LOを貯蔵し、
あるいは複精留塔５に導入するもので、必要に応じて
弁，ポンプ等を備えた貯蔵用及び導入用の導管により接
続されている。また、上記両貯槽9,10は後記する単位時
間当りの最大液製品供給量を少なくとも12時間連続して
受け入れる容量を有することが必要である。
上記のごとく構成した空気液化分離装置１において、
例えば製品酸素ガスPOを65部採取する場合の通常の原料
空気必要量は約330部である。従って、本発明を実施す
るにあたっては、前記圧縮機２としてこれよりも大きな
処理能力を有する圧縮機、例えば原料空気Ａの400部を
所定圧力に圧縮することのできる圧縮機を用いる。この
ときの圧縮機２の容量は、最大運転モードと減量運転モ
ードのバランスにより決定することが好ましく、両モー
ドにより得られる製品酸素ガスPOの平均が、必要とする
製品酸素ガス量となるように設定すべきである。
上記空気液化分離装置１で最大運転モードを行う際
は、圧縮機２をその最大能力で運転して400部の原料空
気Ａを複精留等５に導入する。これにより、複精留塔５
からは80部の酸素が得られるので、製品として必要な65
部の酸素ガスを製品酸素ガスPOとして導出するととも
に、15部を液化酸素LOとして導出し、前記液化酸素貯槽
10に貯蔵する。このとき、酸素を液状で導出するために
不足する寒冷は、液化窒素貯槽９内の液化窒素LNを複精
留塔５に16部導入して補充することにより、装置内の寒
冷バランスを保つことができる。
また、減量運転モードを行う際には、圧縮機２を75％
減量運転して300部の原料空気Ａを複精留塔５に導入す
る。これにより、複精留塔５からは51部の酸素が得られ
るので、液化酸素貯槽10内の液化酸素LOを15部複精留塔
５に導入することで、66部の製品酸素ガスPOを製出する
ことができる。このとき、液化酸素LOを導入するために
過剰となる寒冷は、16部の液化窒素LNを液化窒素貯槽９
に貯蔵することで装置内の寒冷バランスを保つことがで
きる。
上記のごとく増量運転モードと減量運転モードとを設
定し、これを例えば夜昼交互に繰返すことにより、電力
消費量の平均化と電力料金の低減とを図ることができ
る。即ち、電力使用量が低下する夜間に増量運転モード
を、電力使用量が増大する昼間に減量運転モードを行う
ことにより、夜間の電力使用量を増大するとともに昼間
の電力使用量を低減できる。また、処理能力の大きな圧
縮機を最大能力で運転しても、昼間に比べて電力料金の
低廉な夜間電力を使用するので、使用電力量が増加して
も電力料金の低減が図れる。さらに両運転モードを、そ
れぞれ12時間ずつとすることで液化酸素LO及び液化窒素
LNの貯蔵，導入のバランスを取ることができる。
このときの両運転モードにおける気液の量を第１表に
示す。
また、上記第２図，第３図に示した第１実施例装置に
おいて、製品酸素ガス採取量を第１実施例と同じ条件と
し、原料空気の増減量を100:60に設定した場合を第２実
施例として同じく第１表に示す。近年は、原料空気圧縮
機の性能が向上し、一基の圧縮基で４割迄原料供給が可
能となってきており、上記の様な運転が可能である。
さらに、圧縮機を第２図想像線に示すように複数基配
設し、増量運転モードと減量運転モードとで圧縮機の運
転台数を調整することも可能である。この場合には、圧
縮機１台の場合に比べて増量運転モードと減量運転モー
ドとの間の原料空気供給量の差を大きくすることができ
る。ここで、原料空気圧縮機を２基設置して、増量運転
時は２基稼動、減量運転時は１基稼動とした場合を第３
実施例として第１表に示す。
尚、圧縮機の処理能力や液の貯蔵量，導入量、両運転
モードの切換え時間等の各種条件は、製品酸素ガスの必
要量やその純度、液製品や製品窒素ガスの採取の有無、
設置場所の電力の使用状況や電力料金、空気液化分離装
置の構成、例えば精製装置と熱交換器とを独立して設け
たものと可逆式熱交換器を設けたもの等、その他様々な
要因を考慮して最適な条件に設定することができる。
第４図及び第５図は本発明の第４実施例を示すもの
で、前記液化酸素及び液化窒素に加えて液化空気を貯
蔵，導入するように構成したものである。
本実施例において増量運転モードを行う場合には、第
４図に示すように、前記同様に圧縮機２を最大能力で運
転して製品酸素ガスPOを採取するために必要な量よりも
多量の原料空気Ａを複精留塔５に導入し、余分に生成す
る酸素及び窒素を液化酸素LO,窒化窒素LNとしてそれぞ
れの貯槽9,10に貯蔵し、この液化ガス導出による寒冷の
不足を液化空気貯槽11から下部塔下部へ液化空気LAを導
入することにより補うようにしている。また減量運転モ
ードの場合には、第５図に示すように、圧縮機２を減量
運転するとともに、製品供給量に不足する酸素分を液化
酸素貯槽10からの液化酸素LOの導入により補うととも
に、液化窒素貯槽９からも液化窒素LNを複精留塔５に導
入し、該液化ガス導入により余剰となる寒冷相当分の液
化空気LAを液化空気貯槽11に貯蔵するようにしている。
この液化空気貯槽11も、前記同様に単位時間当りの最大
液体空気供給量を少なくとも12時間分受け入れる容量を
有することが必要である。
このように寒冷源として液化空気LAを加えることによ
り、製品窒素ガスPNの製出量も安定化させることができ
る。即ち、上記第１乃至第３実施例においては、液化窒
素LNの貯蔵あるいは導入に伴い製出する製品窒素ガスPN
の量が変化するが、本実施例においては、液化酸素LOの
貯蔵，導入を前記実施例と同様に行うとともに、窒素に
おいても、増量運転モード時に余剰となる製品窒素ガス
相当分を液化窒素LNとして貯蔵し、減量運転モード時に
製品として不足する量を液化窒素LNの導入により補充す
ることができる。従って、本実施例は、原料空気の精製
工程が可塑式熱交換器を使用していて、その再生用ガス
としての排窒素量が原料空気量に対して比較的多量必要
とする空気液化分離装置であって、酸素ガスと窒素ガス
を製品として同時に一定量供給する必要がある場合に好
適である。
尚、本実施例の両運転モードにおける気液の量を、前
記第１乃至第３実施例と同様に、第１表に示す。
〔発明の効果〕 以上説明したように、本発明の空気液化分離方法は、
圧縮機の能力を大きく設定するとともに、該圧縮機を略
最大処理能力で運転して酸素ガスを液化酸素として貯蔵
する増量運転モードと、前記圧縮機を減量運転し、不足
する酸素ガス量に応じて液化酸素を導入する減量運転モ
ードとを交互に行うから、製品として必要な量の酸素ガ
スを定常的に製出しながら電力消費量を増減でき、電力
消費量が多く電力料金が高い昼間に減量運転を行い、夜
間に増量運転を行うことにより、電力の消費量の昼夜の
差を低減できるとともに、料金の低廉な夜間電力を有効
に利用することで空気液化分離装置の総合的な動力費の
低減を図ることができる。
また液化窒素を液化酸素と同様に貯蔵，導入し、これ
を補償する量の液化空気を同時に導入，貯蔵することに
より、製出する製品窒素ガスの量も略一定に保つことが
でき、窒素ガスも安定して供給することが可能である。
さらに原料空気圧縮機を複数基設けることにより、最
大運転モードと減量運転モードとの間の原料空気の供給
量及び動力費の差を大きくでき、電力使用量の差が大と
なるのでより効果的である。
【図面の簡単な説明】
第１図乃至第３図は本発明の第１実施例乃至第３実施例
を示すもので、第１図は本発明方法を適用した空気液化
分離装置を示す系統図、第２図は第１実施例乃至第３実
施例における増量運転モードの説明図、第３図は同じく
減量運転モードの説明図、第４図及び第５図は本発明の
第４実施例を示すもので、第４図は増量運転モードの説
明図、第５図は減量運転モードの説明図である。 １……空気液化分離装置、２……原料空気圧縮機、５…
…複精留塔、９……液化窒素貯槽、10……液化酸素貯
槽、11……液化空気貯槽、Ａ……原料空気、LA……液化
空気、LN……液化窒素、LO……液化酸素、PN……製品窒
素ガス、PO……製品酸素ガス

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】原料空気を圧縮し、精製，冷却して液化分
    離し、酸素ガスを製品として採取する空気液化分離方法
    において、前記酸素ガス製出量に対して原料空気圧縮機
    の能力を大きく設定するとともに、該原料空気圧縮機を
    略最大処理能力で運転し、必要とする酸素ガス量より余
    分に生産される酸素を液化酸素として貯蔵し、該液化酸
    素の貯蔵に必要な寒冷を液化窒素の導入により賄う増量
    運転モードと、前記原料空気圧縮機を減量運転し、必要
    とする製品酸素ガス量に不足する酸素ガス量に応じて前
    記増量運転モードで貯蔵した液化酸素を導入し、該液化
    酸素の導入により余剰となる寒冷相当分の液化窒素を貯
    蔵する減量運転モードとを交互に行うことを特徴とする
    空気液化分離方法。
  2. 【請求項２】原料空気を圧縮し、精製，冷却して液化分
    離し、酸素ガス及び窒素ガスを製品として採取する空気
    液化分離方法において、前記酸素ガス製出量に対して原
    料空気圧縮機の能力を大きく設定するとともに、該原料
    空気圧縮機を略最大処理能力で運転し、必要とする量よ
    り余分に生産される酸素及び窒素を液化ガスとして貯蔵
    し、該液化ガスの貯蔵に必要な寒冷を液化空気の導入に
    より賄う増量運転モードと、前記原料空気圧縮機を減量
    運転し、必要とする製品酸素ガス量及び製品窒素ガス量
    に不足する酸素ガス量及び窒素ガス量に応じて前記増量
    運転モードで貯蔵した液化酸素及び液化窒素を導入し、
    該液化酸素及び液化窒素の導入により余剰となる寒冷相
    当分の液化空気を貯蔵する減量運転モードとを交互に行
    うことを特徴とする空気液化分離方法。
  3. 【請求項３】請求項１又は２記載の空気液化分離方法に
    おいて、原料空気圧縮機を複数基配設し、前記増量運転
    モード及び減量運転モードに応じて適数の原料空気圧縮
    機を運転することを特徴とする空気液化分離方法。
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