JPH0749174A - 空気分離装置 - Google Patents

空気分離装置

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JPH0749174A
JPH0749174A JP5195827A JP19582793A JPH0749174A JP H0749174 A JPH0749174 A JP H0749174A JP 5195827 A JP5195827 A JP 5195827A JP 19582793 A JP19582793 A JP 19582793A JP H0749174 A JPH0749174 A JP H0749174A
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column
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tower
gas
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太郎 狩野
Shigeyasu Okamoto
成恭 岡本
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Abstract

(57)【要約】 【目的】下塔下部の精留効率を改善し、アルゴン回収率
を向上させる。 【構成】下塔４、上塔１３及び粗アルゴン塔３３の３塔
から成る空気分離装置において、下塔４の下部の理論段
数を増やすことにより精留効果を向上させ、還流液体不
純窒素中のアルゴン濃度を減少させる。これによって廃
ガス中のアルゴン濃度を減少させることができる。その
結果アルゴンの回収率が向上する。 【効果】アルゴン回収率が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、窒素、酸素、アルゴン
及びその他のガスを採取する空気分離装置の精留塔に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、空気分離装置における精留塔は、
精留皿を棚段式に積み重ねた棚段式精留塔（例えば、１
９７５年６月３０日培風館発行「コンピュータによる蒸
留設計法の基礎」第１３６頁〜第１５６頁記載）が主に
用いられていたが、近年、精留皿に比べ精留効率が同
等、もしくはそれ以上であり、かつ圧力損失が精留皿に
比べ非常に小さい規則的な構造を有した充填物（規則充
填物）を精留皿の代わりに塔内に積層充填した充填式精
留塔が使用され、精留効率の向上や原料空気圧縮機吐出
圧力の低下に効果を上げている。
【０００３】上塔及び粗アルゴン塔での圧力損失低下
は、約３倍の効果として原料空気圧縮機吐出圧力が低減
されるために、規則充填物の使用範囲として上塔及び粗
アルゴン塔にはよく使用されている。下塔においては、
原料空気圧縮機吐出圧力の低減の効果が上塔及び粗アル
ゴン塔の圧力損失低下によるものほど得られないため、
原料空気圧縮機を駆動するための電力費低減と充填物の
価格との兼ね合いより精留皿が使用されていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】空気分離装置では、主
要成分である窒素、酸素、アルゴンの沸点差を利用して
精留分離を行い、窒素、酸素、アルゴンを採取している
が、アルゴンは空気中に約１％しか含まれておらず、
又、アルゴンの沸点が酸素の沸点と非常に近接している
ため、窒素及び酸素に比べてその回収が難しく、アルゴ
ンの付加価値は窒素及び酸素と比べ高い。従って、原料
空気量及び原料空気吐出圧力が一定の条件において回収
されるアルゴンの絶対量の割合（アルゴン回収率）がよ
り高い空気分離装置が望ましい。
【０００５】本発明の目的は、アルゴン回収率が改善さ
れた空気分離装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】下塔下部（液体不純窒素
抽出段以下）の理論段数を増やすことにより、下塔の精
留性能を向上させる。その例として、下塔下部の全て、
又は一部に従来の棚段に代わって規則充填物を使用して
理論段数を増やせば、下塔の圧力損失は従来と同等、も
しくはそれ以下にもかかわらず精留効率が改善される。
【０００７】
【作用】下塔下部の上から抽出した液体不純窒素は、過
冷却器で過冷却された後、上塔中部（上）へ還流液とし
て導入されるが、従来に比べ下塔下部の精留効率が改善
されているため、アルゴン濃度が減少した液体不純窒素
が得られる。このことにより、液体不純窒素が上部、中
部においてフラッシュしたガス中のアルゴン濃度の低減
と同じく、上塔内を降下する還流液中のアルゴン濃度も
低減できることにより、精留塔内の上昇ガス中のアルゴ
ン濃度を低減できる。このフラッシュガス及び上昇ガス
中のアルゴン濃度を低減することにより、廃ガス中のア
ルゴン濃度を減少させることができる。即ち、廃ガスと
して捨てられるアルゴン量が減少するため、その分アル
ゴンの回収率を増加させることができる。これは、原料
空気圧縮機用電力低減と充填物価格との兼ね合いで、規
則充填物の使用が見送られていた下塔にとって規則充填
物の使用が驚くべき効果を付帯できることを示すもので
ある。
【０００８】
【実施例】図１に示すフローにおいて、原料空気圧縮機
を出た原料空気は水洗冷却塔で常温まで冷却されて吸着
塔へ送られ、水分及び炭化水素等を除去された後、導管
１を通り空気熱交換器２で冷却され、導管３を通り下塔
４の底部へ送られる。又、吸着塔から出た原料空気の一
部は、導管５を通りタービンコンプレッサー６によって
圧縮され、導管７を通りタービンアフタークーラー８で
常温まで冷却され、導管９を通り空気熱交換器２で冷却
された後、導管１０を通り膨張タービン１１へ送られ膨
張し、導管１２を通って上塔１３の中部（下）へ入り、
上塔１３に寒冷を供給する。下塔４から抽出された液体
窒素、液体不純窒素、液体空気は、それぞれ導管１４，
１５，１６を通り過冷却器１７で過冷却された後、それ
ぞれ導管１８,１９，２０を通り上塔１３へ還流液とし
て送られる。又、この時、液体空気の一部は過冷却器１
７を出た後、導管２１を通り粗アルゴン塔コンデンサー
２２へ入り熱交換した後、ガス化して導管２３を通り上
塔１３の中部（下）へ送入される。
【０００９】上塔１３の上部からは製品窒素ガスが抽出
され、この製品窒素ガスは、導管２４を通って過冷却器
１７の寒冷源として過冷却器１７へ入り、導管２５を通
り空気熱交換器２によって常温となり、導管２６を通っ
て製品として使用される。上塔１３の中部からは廃ガス
（不純窒素）が抽出され、導管２７を通り過冷却器１７
の寒冷源として過冷却器１７へ入る。その後、廃ガスは
導管２８を通り空気熱交換器２で常温となり、導管２９
を通って一部のガスは吸着塔の再生ガスとして使用さ
れ、残りの廃ガスは放出される。上塔１３の下部からは
製品酸素ガスが抽出され、導管３０を通り空気熱交換器
２で常温となり導管３１を通り製品として使用される。
【００１０】上塔１３の中部と下部にはさまれたフィー
ド部からは、フィードガス（約９％Ar）が導管３２を通
り粗アルゴン塔３３へ送られ、粗アルゴン塔３３の上部
から粗アルゴンガスが抽出され導管３４により採取され
る。粗アルゴン塔３３の下部から出た戻り液は、導管３
５を通り上塔１３のフィード部に戻される。 一般に上
塔各部及び粗アルゴン塔の理論段数を増加させていけば
アルゴン回収率は良くなる。特に精留皿に比べて低圧力
損失である規則充填物の使用により大幅な理論段数の増
加が可能となり、アルゴン回収率は約９０％に到るよう
になってきた。精留皿を用いた際の上塔、下塔及び粗ア
ルゴン塔の理論段数の典型的な例は各々８０、３５、４
４段である。
【００１１】図１に示す空気分離装置を模擬した実験装
置を製作し、実験を行うとともに、実験結果に基づきシ
ミュレーションを実施して下塔及び上塔の理論段数がア
ルゴン回収率に及ぼす影響を調査した。
【００１２】実験装置における上塔及び粗アルゴン塔は
全て規則充填物を使用した。一方、下塔については、下
塔下部の一部に規則充填物を使用し、他の下塔部分につ
いては精留皿を用いた。
【００１３】以下に各塔における理論段数を示す。
【００１４】 上 塔 １２０段 下 塔 ５５段 粗アルゴン塔 ７０段 各々の精留塔は以下の（１）式に示すＦ-ファクターが
１.２程度となる様に塔内径、即ち規則充填物の外径を
選定している。
【００１５】 Ｆ-ファクター＝Ｖｇ√ＲＯＵ ………（１） ここで、Ｖｇは塔内を上昇するガス流速（単位：ｍ/
ｓ)、ＲＯＵはガス密度(単位：kg/ｍ3）である。本実験
装置を使用した実験の結果、アルゴン回収率を３．７％
改善できることが判明した。このため各塔各部につい
て、理論段数増加とアルゴン回収率向上の効果について
精留シミュレ−ション計算を実施して解析を行った。
【００１６】図２に上塔の理論段数と従来の段数から増
加していった際のアルゴン回収率の関係を示す。ここ
で、アルゴン回収率は原料空気中のアルゴンの絶対量に
対する粗アルゴン塔から得られる粗アルゴンガス中のア
ルゴンの絶対値の割合である。横軸は従来の棚段式の上
塔における理論段数８０段を１００％とした際の理論段
数の割合をパーセント表示したものであり、縦軸は理論
段数８０段におけるアルゴン回収率を１００％とした際
のアルゴン回収率の向上率をパーセント表示したもので
ある。
【００１７】図２より、上塔の理論段数を増やしていっ
たとしても、ある程度の段数でアルゴン回収率はほとん
ど増加しなくなり、頭打ちの状態となることが分かる。
【００１８】一方で、上塔のみならず下塔の理論段数を
増加することにより、上塔のみ理論段数を増加していっ
た時よりもアルゴン回収に効果のあることが明らかにな
った。
【００１９】図３に下塔の理論段数とアルゴン回収率の
関係を示す。横軸は従来の棚段式の理論段数３５段を１
００％とした際の理論段数の割合をパーセント表示した
ものであり、縦軸は理論段数３５段におけるアルゴン回
収率を１００％とした際のアルゴン回収率の向上率をパ
ーセント表示したものである。
【００２０】図３によると、理論段数の増加とともにア
ルゴン回収率が増加している。理論段数比１５０％（理
論段数増加分１８段）を例にとり実際のアルゴンロスを
分析すると、液体不純窒素のアルゴン濃度が０.２９％
から０.１％以下の０.０７％まで下がり、フラッシュガ
スのアルゴン濃度が０.１２％から０.０５％以下の０.
０３％まで下がり約１/４となった。これによって、廃
ガス中のアルゴン濃度が０.１３％から０.０３％まで下
がり、アルゴン回収率が３.０７％向上している。この
ことは、上塔で理論段数比１５０％（理論段数増加分４
０段）の場合のアルゴン回収率の向上２％（図２）と比
較し、アルゴン回収率向上に大きな効果があることが分
かった。尚、本実験装置においては、下塔下部の規則充
填物の配置は図４に示す如く下塔下部の上方にのみ設置
し、他は棚段を用いている。図３に示す下塔の理論段数
増加によるアルゴン回収率改善の効果は、図５に示す如
く下塔下部の下方のみ規則充填物を設置した場合にも同
様な効果が得られる。又、図６に示す如く、下塔下部全
て又は、さらに下塔上部も含め下塔全てに規則充填物を
設置すれば、アルゴン回収率のより一層の改善が望まれ
ることは明らかである。
【００２１】
【発明の効果】以上説明の様に、下塔下部の理論段数を
増やすとアルゴン回収率が向上する。又、下塔下部に規
則充填物を使用すると、従来の原単位もしくは、それ以
下の原単位でアルゴン回収率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施例を示す概略系統図で
ある。
【図２】図２は、上塔の理論段数増加とアルゴン回収率
の向上率の関係を示した特性図である。
【図３】図３は、下塔の理論段数増加とアルゴン回収率
の向上率の関係を示した特性図である。
【図４】図４は、精留塔下塔の下部の上方に規則充填物
を適用した一例を示す概略図である。
【図５】図５は、精留塔下塔の下部の下方に規則充填物
を適用した一例を示す概略図である。
【図６】図６は、精留塔下塔の下部全体に規則充填物を
適用した一例を示す概略図である。
【符号の説明】
２…空気熱交換器、４…精留塔下塔、６…タービンコン
プレッサー、８…タービンアフタークーラー、１１…膨
張タービン、１３…精留塔上塔、１７…液空，液窒過冷
却器、２２…粗アルゴン塔コンデンサー、３３…粗アル
ゴン塔、１，３，５，７，９，１０，１２，１４〜１
６，１８〜２１，２３〜３２，３４，３５…導管、３６
…精留皿、３７…規則充填物。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】空気を窒素、酸素及びアルゴンに深冷分離
    する空気分離装置にあって、圧縮、浄化及び冷却された
    原料空気を窒素と酸素に富んだ濃縮空気に気液接触によ
    り分離する下塔と、下塔にて分離された窒素と濃縮空気
    を導入し、さらに高純度な窒素と酸素に気液接触により
    分離する上塔と、アルゴンに富んだ酸素成分を上塔の中
    間段より抜き出し、気液接触により粗アルゴンを分離す
    る粗アルゴン塔の少なくとも３塔から成る空気分離装置
    において、前記上塔及び粗アルゴン塔の全て、もしくは
    一部に規則充填物を充填した精留塔を使用し、かつ下塔
    に規則充填物を充填した精留塔を使用することにより、
    アルゴン回収率を増加させることを特徴とした空気分離
    方法。
  2. 【請求項２】前記空気分離装置の下塔において、液体不
    純窒素抽出段以下の下塔下部の全て、もしくは一部に規
    則充填物を使用することにより、液体不純窒素中に含ま
    れるアルゴン分を縮減させることを特徴とした空気分離
    方法。
  3. 【請求項３】請求項１及び２に示す空気分離方法のいず
    れかにおいて、液体不純窒素抽出段以下の下塔下部の全
    て、もしくは一部に規則充填物を使用することを特徴と
    した空気分離方法。
  4. 【請求項４】下部に供給される原料空気を、窒素、酸素
    に富んだ濃縮空気、および不純窒素に気液接触により分
    離する下塔と、 下塔にて分離された窒素と濃縮空気とが供給され、さら
    に高純度な窒素と酸素とに気液接触により分離する上塔
    と、 アルゴンに富んだ酸素成分を上記上塔の中間段より抜き
    出し、気液接触により粗アルゴンを分離する粗アルゴン
    塔と、 上記下塔において分離された不純窒素中のアルゴン濃度
    が０．１％以下になるように上記下塔中に設けられた規
    則充填体と、からなることを特徴とする空気分離装置。
  5. 【請求項５】下部に供給される原料空気を、窒素と酸素
    に富んだ濃縮空気とに気液接触により分離する下塔と、 下塔にて分離された窒素と濃縮空気とが供給され、さら
    に高純度な窒素と酸素とに気液接触により分離する上塔
    と、 アルゴンに富んだ酸素成分を上記上塔の中間段より抜き
    出し、気液接触により粗アルゴンを分離する粗アルゴン
    塔と、 上記下塔における気液接触の際に発生するフラッシュガ
    ス中のアルゴン濃度が０．５％以下になるように上記下
    塔中に設けられた規則充填体と、からなることを特徴と
    する空気分離装置。
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