JPS5939671B2 - 空気分離方法及び装置 - Google Patents

空気分離方法及び装置

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JPS5939671B2
JPS5939671B2 JP57066070A JP6607082A JPS5939671B2 JP S5939671 B2 JPS5939671 B2 JP S5939671B2 JP 57066070 A JP57066070 A JP 57066070A JP 6607082 A JP6607082 A JP 6607082A JP S5939671 B2 JPS5939671 B2 JP S5939671B2
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air stream
cooled
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Air Products and Chemicals Inc
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は比較的小能力の空気分離装置内での液体酸素と
液体窒素との製造に関する。
空気を成分に分離するには、大量に分離する方法と比較
的小量に分離する方法との両方が必要である。
本発明は比較的小量分離の要求に相応した装置を目指し
ている。
それゆえ本装置は寸法と費用とを経済的で、その上この
装置を運転するのに必要な動力を低くして経済的に作動
するよう設計しである。
全体として、比較的小量の空気成分の分離製品を作る装
置、即ち１日当り１００トン以下を処理する装置は、大
型装置、即ち１日当り１００トンから１０００）ンまで
の装置に使われる二重コンパンダ（タンデムコンプレッ
サと膨張器）で設計すると価格的に高くなる。
アメリカ合衆国特許第４１５２１３０号では空気をその
主成分、即ち窒素と酸素とに分離するため冷凍機に供給
するのに２個のコンパンダを使った装置が述べられてい
る。
この装置は１日当り１００トン以上の範囲で作動する。
アメリカ合衆国特許第３４９２８２８号では、１個のコ
ンパンダを使い、これをガス供給流の直接膨張でなく、
間接熱交換によって供給ガス流を冷却している。
付加冷凍機のために追加の膨張弁と熱交換機とが使われ
ている。
アメリカ合衆国特許第３０９１０９４号では、空気分離
装置内に熱交換装置からの分割流の使用している。
分割流は装置の供給空気流をさらに冷凍するのに使われ
ていない。
アメリカ合衆国特許第３０７９７５９号は、供給空気流
の一部が主熱交換器から分割され、蒸溜塔に導入される
前に膨張機を通して膨張により冷凍する空気分離装置を
述べている。
補助のフレオン冷凍機は述べられていない。
１９６７年２月のケミカル エンジニアリングプログレ
ス（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｐｒ
ｏ−ｇｒｅｓｓ）誌の第６３巻第２号３５−５９ページ
に見られるラチマーの“空気の蒸留”の論文では、主回
路にフレオン冷凍装置を使った色々の空気分離装置を記
載している０この論文のフレオン冷凍装置は主供給空気
流全体を冷却するよう直接作動し、分割流又は再循環熱
交換関係では作動しない。
それゆえ、本発明の目的は必要な供給空気流の冷凍によ
シ比較的小能力の空気分離装置を得ることで、ここで冷
凍は供給空気流を分割して直接フレオン冷凍機で冷却す
る空気流膨張装置を用い、間接熱交換又は第２熱交換流
体を使用しないで空気流の少くとも一部を直接冷凍する
。
本発明は液体製品で１日当！り２Ｏ−１００）ン、なる
べく３Ｏ−６０）ンの範囲で空気を分離することを目指
している。
本発明は比較的小能力の空気分離装置で液体酸素と液体
窒素とを作る方法で、本方法は供給空気流を初期圧縮す
る段階と、前記圧縮された供給空気流から二酸化炭素と
水とを分離する段階と、分離された供給空気流を少くと
も一つの再循環コンプレッサで圧縮する段階と、空気流
を１個のコンパンダ（膨張圧縮器）のコンプレッサ端で
さラニ圧縮する段階と、空気流を主熱交換器内で初期冷
却する段階と、初期冷却空気流の一部を前記空気流と７
レオン冷凍装置との熱交換によシさらに冷却する段階と
、冷却された供給空気流を側流と残流とに分割する段階
と、側流を低温、低圧で膨張し、前記残流を前記膨張し
た側流の少くとも一部と熱交換関係で冷却する段階と、
冷却された残流を蒸溜塔に注入する段階と、前記膨張し
た側流の少くとも一部を前記再循環コンプレッサに再循
環する段階と、前記蒸溜塔内の残流を分離する段階と、
前記蒸溜塔内に液体酸素と液体窒素とを作る段階とを有
する。
膨張した側流は、前記側流の少くとも一部を空気分離装
置の蒸溜塔に送出し得るよう２個の流れに分割し、一方
膨顛した側流の第２部分を入って来る供給空気流を主熱
交換器内で冷凍し得るよう再循環するのが好ましい。
主熱交換器内で冷却された初期の供給空気流のすべてを
主熱交換器で膨張させてさらにフレオン冷凍装置で冷却
することも出来る。
本方法は又、残シの供給空気流を主熱交換器で冷却した
あとで更に冷却するだめの補助熱交換器を用いると有利
である。
その上、膨張した側流のすべてをこれを空気再循環コン
プレッサを通して再循環出来るよう熱交換器を通して逆
流的に戻すことも任意である。
本発明は又液体酸素と液体窒素とを作る装置を与えてお
り、装置は供給空気流を圧縮する少くとも一つのコンプ
レッサと、前記圧縮された空気流から水と二酸化炭素と
を分離する装置と、清浄化された空気流をさらに圧縮す
るだめの少くとも一つの再循環コンプレッサと、空気流
をさらに圧縮するため１個のコンパンダ装置から作動す
るコンプレッサと、前記の清浄な圧縮された空気流を冷
却するだめの主熱交換器と、前記主熱交換器を通る空気
流の少くとも一部と熱交換関係に結合されたフレオン作
動冷凍装置と、主熱交換器からの冷却された空気流の少
くとも一部を冷却する膨張器と、供給空気流を冷却し、
前記の膨張した空気流を前記供給空気流と混合するため
前記主熱交換器を通る前記膨張した空気流の少くとも一
部を再循環する装置と、冷却した空気流を液体窒素と液
体酸素とに分離する蒸溜塔と、前記蒸溜塔から液体酸素
と液体窒素とを取出す装置とを有する。
その上、主熱交換器と直列に結合された補助熱交換器を
用いることも出来る。
一実施例では、本発明は経済的で６８０ ｋｗｈ／Ｔ（
液体トン当シキロワット時）の低い動力の空気分離装置
を得ている。
本発明の設計で用いる冷凍装置の数量が減り、著しく簡
単化され主熱交換器の寸法を減らし、その上先行技術装
置で使われるコンパンダ装置を不要にしたので投資費用
が減少する。
本発明は液体製品を１日当り２０−１００トン、なるべ
（３０−６０）ン作る方法と装置とに関する。
本発明をよりよく理解するため添付図面を引用説明する
。
第１図を参照すると、大気は入口空気フィルタ１を経て
装置内に導入され、ごみと粒子とを初めの空気コンプレ
ッサ３に入る前に空気から除去する。
コンプレッサ３から出た圧縮された空気を管４を経て初
期冷却器５に導入する。
初期冷却器５は加熱圧縮した空気流は熱交換冷却水によ
シ冷却される。
この初期冷却のあと、空気流を管６を経て供給クーラ７
に導入する。
供給空気流はこのクーラ７内で装置内の別に処理された
空気との熱交換によシ冷却される。
この点で空気流はその温度を十分に下げ、空気流内に含
まれる水蒸気を凝結する。
それゆえ空気流は管８を経て初期冷却分離器９に進む。
この分離器内で、空気から凝結した水分は底部留分１１
として空気流から除去される。
分離された空気流は、乾燥状態で管１０を経て吸収予備
クーラ１２に入る。
このクーラは冷凍装置１３との熱交換で作動する。
管１４内にこのクーラから出る空気流はほぼ４℃（３９
，２１”）である。
この点で空気内の追加の水分は乾燥型凝結分離器１５内
で凝結し、除去される。
又凝結水は分離器から底部留分１７として除去され、一
方乾燥空気は分離器の上部から上部留分として取出され
る。
空気流は管１６を経て切換え式分子ふるい乾燥器１８．
１９に流れる。
分子ふるい乾燥器は２個の分子ふるい床から構成され、
この床は空気流から水、二酸化炭素を除去する。
これら不純物は槽の内側の分子ふるい材料で吸収され清
浄な乾燥空気流を生ずる。
２個の乾燥器１８．１９は交互のサイクルである。
−万の床は空気流から含有不純物を吸収し、他方の床は
空気分離装置のさらに下方から導入される温かいガス状
窒素を流すことで復活される。
各乾燥器は代表的に２−１２時間の運転時間を持ち、そ
のあとで復活のため運転を休止し、他方の乾燥器が運転
する。
空気は管２４を経て分子ふるい乾燥器から出て、乾燥器
フィルタ２５に導入され、このフィルタは上流側装置か
ら不純物又はふるい要素を持ち来ないよう除去する。
管２６内の冷たい乾いた清浄空気は供給クーラ７を経て
再循環し、冷凍装置１３の冷凍負荷を減らすため入って
来る空気と熱交換する。
空気流は管２７と除霜ヒータ２８とを経て導かれ、空気
再循環コンプレッサ３０のすぐ上流側の管２９内で再循
環した空気と混合される。
管５２からの再循環空気と管２９からの供給空気とは空
気再循環コンプレッサ３０内で圧縮され、次にアフタク
ーラ３２で冷却される。
空気流はさらに唯１個のコンパンダのコンプレッサ端３
４内で圧縮される。
コンパンダは、膨張器４８と機械的に結合され、それに
よシ駆動されるコンプレッサ３４で構成される。
コンパンダを構成するコンプレッサ（圧縮器）と（膨張
器）エキスパンダとは、これらが通路の異なる点で動作
するけれども同じ軸の上にある。
又圧縮された空気流をクーラ３６で事後冷却する。
この点での空気流は３３．３℃（９２丁）、４０．８に
？肩（５８１ポンド／平方インチ）である。
空気流は管３７を経て主熱交換器４４に導かれる。
始めに流れが熱交換器４４を通ったあと、管３８内の空
気流は２個の別個の管３９．４０に分割される。
管３９内の空気流は分けられた側流となり、管４０内の
空気流は残流として熱交換器４４を経て戻される。
管３９内の空気流はフレオン冷凍装置４１．４２に導か
れる。
空気流をこの装置に導入した時、温度は１２．７℃（５
５’Ｆ ）である。
冷凍装置から出た時空気流は−７７，６℃（−１０８’
Ｐ）である。
この点で側流は組合わされた流れにかなりの冷凍を与え
るため残流内に再び導入される。
管４５内の組合わされた流れは第２熱交換器５４に入る
。
流れの一部は側流４７として分割され、この側流は−１
０７，２℃（−１６１”Ｆ）、４０．９に９／ｃＩＩＬ
（５８３ポンド／平方インチ）である。
側流は次に１個のコンパンダの膨張器４８内で膨張しさ
らに冷却される。
側流は膨張器を管４９に、−１６６℃（−２６７”ｆ″
） ６．９ Ｋ９ ／ａｎｔ （９８ポンド／平方イン
チ）で出る。
この点で冷却され膨張した流れは管５０内の蒸留塔空気
供給流と管５１内の空気再循環流とに分割される。
管４５からの残流は管４６を経て第２熱交換器５４に進
む。
この冷却された空気流は管５３によシ蒸留塔５５に導か
れる。
主及び第２熱交換器４４．５４は１つの一体の熱交換装
置に組合わせることができる。
管５０．５３内の冷やされた空気流は蒸留塔５５の高圧
塔５６に入る。
流れはこれらの成分と状態とに相応した点で高圧塔５６
に導かれる。
蒸留塔は純粋な液体窒素が高圧塔５６からリボイン／コ
ンデンサ５８で頭部留分とし取出せる標準型である。
液体窒素は製品ラインと逆流ラインとに分割される前に
管５９を経て蒸留塔を出る。
逆流は高圧塔５６に再導入されるのに、製品の液体窒素
は熱交換器６０内で、低温に水洗されて予備冷却され、
管６１を経て窒素分離器に導かれる。
液体の製品窒素は分離器の底部から取出され、さらに利
用するため管６２を経て液体窒素保管装置に導かれる。
管６９から高圧塔５６を出る不純な逆流は熱交換器６０
内で１備冷却され低圧塔５７の上部に導入される。
未加工の液体窒素は管６５で底部留分として高圧塔５６
から取出される。
これは交換器６０．６６内で何回か熱交換され、管６７
によシさらに精製するため低圧塔５７に導入される。
廃棄窒素流６８は熱交換と上流側装置のガス復活とに使
うため低圧塔の上部から取出される。
純粋な酸素製品は管６３を経て低圧塔５７の底部から取
出される。
交換器６６内の高圧塔から低圧塔に流れる未加工酸素と
熱交換したあとで、液体の酸素製品は管６４を経て液体
酸素保管装置に運ばれる。
第２図を参照すると、本図では第１図の熱交換副装置を
分離して、よシ詳しく示し、管３７内で圧縮され事後冷
却された空気流は主熱交換器４４に入シ、ここで流れの
一部は熱交換器から管３９内の側流に分離され、フレオ
ン冷凍装置４１．４２でさらに冷凍される。
この側流４３は熱交換器４４を経て導かれる管４５内の
残流に戻される。
第２の分割された側流４７は熱交換器５４を経て導かれ
る残流から取出される。
この第２の分割側流は温度−１０７℃（−１６１″Ｆ）
圧力４０，９に９／ａｎｔ （５８３ポンド／平方イン
チ）であり、１個のコンパンダの膨張器４８を経て膨張
し温度は一１６６℃（−２６７１”）、圧力は６．９
Ｋ９／ｃｒ７ｔ（９８ポンド／平方インチ）である。
この管４９内の流れはさらに蒸留塔につながる管５０と
管５１とに分割され、管５１は冷却、膨張した側流の一
部を主残流と逆方向に熱交換器４４ 、５４を経て戻す
。
この管５１内の再循環流は熱交換器内で起る冷凍作用を
有効にする。
管５０内の膨張、分割された空気流は、蒸留塔に入る前
にさらに冷却するため第３熱交換器を経て任意に導くこ
とが出来る。
この熱交換器は分離効率が増すので投下資本を償うこと
が出来る。
この事は初期費用と作動費用との特定の重要度の如何で
定めることができる。
又はこの膨張した流れを以下で述べるように全部再循環
することも出来る。
上記の別の実施例は第３図に示しである。
この実施例は第１図に示す空気再循環コンプレッサ３０
より上のすべての上流側装置を用いている。
第３図を参照すると、空気は空気再循環コンプレッサ１
３０内で圧縮され、水冷式熱交換器１３２で事後冷却さ
れる。
空気は唯１個のコンパンダのコンプレッサ端１３４に導
入され、又事後冷却器１３６で冷却される。
今３９．７ Ｋ９／ｃｉｔ （５ｃｙ ５ポンド／平方
インチ）である圧縮された空気流は管１３７に泊って主
熱交換器１４４に導入される。
この点で空気流は全部熱交換器１４４から管１３９を経
て１段式フレオン冷凍装置１４１に入る。
この事は第２図に示す実施例、即ち空気流が残流と側流
とに分割されるのとは異なっている。
この別の実施例の空気流のすべてはフレオン冷凍装置１
４１に導かれ、空気流は交換器に一３４℃（−３０’Ｆ
）で入り、交換器を管１４３を経て一４０℃（−４０’
Ｆ）で出る。
冷凍された空気流はこれが管１４７内の側流と、管１４
５内の残流とに分割される前に主熱交換器１４４内でさ
らに冷却される。
管１４７内の−８４，４℃（−１２０下）、３９ Ｋ９
７ｃｕｔ （５５５ポンド／平方インチ。
の側流は１個のコンパンダの膨張端１４８を経て膨張し
、温度−１５１℃（−２４０’Ｆ）、圧力６．４に９／
ｉ（９１ポンド／平方インチ）になる。
この管１４９内の膨張流は熱交換器１４４を経て管１３
７内の初期空気流と逆方向に戻るよう完全に再循環する
。
管１４９を経て導かれる膨張、再循環した流れは管１５
２を経て空気再循環コンプレッサ１３０に導かれる供給
空気流に導かれその周期通路を完了する。
熱交換器１４４内の空気の残流は管１４５を経て第２熱
交換器１５４に導入される。
この空気流は約−１５１℃（−２４０’Ｆ）に冷却され
、管１５３を経て蒸留塔の高圧部に導入される。
上記実施例は、先行技術の１日当り１００トンよシ大き
い装置ではなく、比較的小さい出力、即ち１日当り３Ｏ
−１００）ン、なるべく６０トンの空気分離装置を得る
経済的方法を与えている。
資本費用の減少と、装置寸法の減少とは二重コンパンダ
（コンプレッサと膨張器）で得られるカスケード型二重
冷凍を使用せずに達成されている。
むしろ空気分離装置を働かすのに必要な冷凍、特に本発
明の蒸留塔は、１個のコンパンダ装置とフレオン冷凍装
置とのタンデム作動で達成されている。
代りのフレオン冷凍装置は比較的大量の冷凍又は比較的
小量の冷凍を得ることが出来る。
大量の冷凍がフレオン冷凍装置で供給される場合、膨張
し冷凍された側流の一部は、主熱交換器を経て冷凍目的
に全部再循環されるのでなく、むしろ蒸留塔に向けるこ
とが出来る。
それゆえ冷凍された再循環流のほんの一部しか第１図、
第２図の第１実施例に示す熱交換器を経て流れる初期空
気流に冷却を与えるのに必要ではない。
しかし、低能力のフレオン冷凍装置が使われる場合、冷
凍し膨張した全側流は、熱交換器を経て空気分離装置の
蒸留塔に供給される空気流を適当に冷却するため熱交換
器を経て再循環される。
ここに２種の実施例があシ、これらはフレオン冷凍装置
に必要なエネルギ入力の量と、冷凍熱交換に必要ではな
いが蒸留塔内に導入するため利用出来る冷凍空気の全量
との間の相殺を示している。
添付図面に関し述べられた装置は本発明の範囲から離れ
ずに色々の修正を考えることが出来、例えば第２図の例
に対し、熱交換器５４の下に追加の熱交換器を使うこと
ができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本返明の冷却サイクル実施例を組入れた空気分
離装置全体めフローチャート図、第２図は第１図に示す
空気分離装置の冷凍副装置の冷却サイクル実施例を分離
した図面、第３図は第１図に示す空気分離装置の冷凍副
装置の別の空気サイクル実施例の分離した図面である。 １・・・フィルタ、３・・・コンプレッサ、４・・・管
、５・・・初期冷却器、６・・・管、７・・・供給クー
ラ、８・・・管、９・・・分離器、１０・・・管、１１
・・・留分、１２・・・予備クーラ、１３・・・冷凍装
置、１４・・・管、１５・・・分離器、１６・・・管、
１７・・・留分、１８，１９・・・乾燥器、２４・・・
管、２５・・・フィルタ、２６．２７・・・管、２８・
・・ヒータ、２９・・・ｔ、３０・・・コンプレッサ、
３２・・・アフタクーラ、３４・・・コンプレッサ、３
６・・・クーラ、３７，３８，３９．４０・・・管、４
１ 。 ４２・・・冷凍装置、４３・・・側流、４４・・・熱交
換器、４５・・・管、４６・・・管、４７・・・側流、
４８・・・膨張器、４９．５０・・・管、５１．５２・
・・管、５３・・・管、５４・・・熱交換器、５５・・
・蒸留塔、５６．５７・・・塔、５８・・・ボイラ／コ
ンデンサ、５９・・・管、６０・・・熱交換器、６１．
６２．６３，６４．６５・・・管、６６・・・熱交換器
、６７・・・管、６８・・・窒素流、６９・・・管、１
３０・・・コンプレッサ、１３２・・・熱交換器、１３
４・・・コンプレッサ端、１３６・・・事後冷却器、１
３７・・・管、１３９・・・管、１４１・・・冷凍装置
、１４３・・・管、１４４・・・熱交換器、１４５・・
・管、１４７・・・管、１４８・・・膨張端、１４９・
・・管、１５２・・・管、１５３・・・管、１５４・・
・熱交換器。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 空気を分離して液体酸素と液体窒素を回収する方法
    において、 ａ）最初供給した空気流を圧縮し、 ｂ）該圧縮供給空気流から、二酸化炭素と水を分離し、 Ｃ）分離した供給空気流と再循環空気流とを少くとも１
    個の再循環コンプレッサ中で圧縮し、ｄ） 更に単一の
    コンパンダのコンプレッサ端で該空気流を圧縮し、 ｅ）主熱交換器で前記空気流を冷却し、 ｆ）更に該熱交換器を通じて最初に冷却した前記空気流
    の少くとも一部を、フレオン冷凍装置で直接熱交換して
    冷却し、 ｇ）冷却した供給空気流を側流と残流とに分割し、ｈ）
    該側流を低温且つ低圧に膨張させ、該残流を上記膨張し
    た側流の少くとも一部と熱交換によって冷却し、 ｉ）冷却した残流を蒸留塔に注入し、 ｊ）上記膨張させた側流の少くとも一部を上記再循環コ
    ンプレッサ中に再循環させ、 ｋ）上記蒸流塔内で前記残流を分離して、液体酸素と液
    体窒素を共に産出する 工程からなることを特徴とする空気分離方法。 ２ 上記膨張させた側流の一部を上記蒸留塔に保給する
    特許請求の範囲第１項記載の空気分離方法。 ３ 最初主熱交換器で冷却した空気流をすべて、該熱交
    換器から抽出し更にフレオン冷凍装置で冷却する特許請
    求の範囲第１項又は第２項記載の空気分離方法。 ４ 残流を補助の熱交換器でも上記主熱交換器と同様に
    冷却する特許請求の範囲第１項又は第２項記載の空気分
    離方法。 ５ 前記側流のすべてを上記再循環コンプレッサに再循
    環する特許請求の範囲第１項記載の空気分離方法。 ６ 前記分離方法による産出液体の量は１産１０トン乃
    至ｌＯＯトンである特許請求の範囲第１項記載の空気分
    離方法。 ７ 空気を分離して液体酸素と液体窒素を回収する装置
    において、 ａ）最初供給した空気流を圧縮する少くとも一つのコン
    プレッサ ｂ）該圧縮空気流から水分と二酸化炭素とを分離する装
    置、 Ｃ）水分と二酸化炭素とを除去した清浄空気流と再循環
    空気とを共に圧縮する少くとも一つの再循環コンプレッ
    サ、 ｄ）該空気流を更に圧縮するため単一のコンパンダ装置
    中で動作するコンプレッサ、 ｅ）上記清浄圧縮空気流を冷却する主熱交換器、ｆ）該
    主熱交換器を通る空気流の少くとも一部と熱交換するよ
    う接続したフレオン作動冷却装置。 ｇ）上記主熱交換器からの冷却空気流の少くとも一部を
    冷却する膨張装置、 ｈ）上記供給空気流を冷却し、これと上流膨張空気流と
    混合するため上記主熱交換器を通った上記膨張空気流を
    再循環させる装置。 ｉ）冷却した空気流を液体窒素と液体酸素に分離する蒸
    溜塔、 ｊ）該蒸溜塔から上記液体酸素と液体窒素を引出す装置
    とより成ることを特徴とする空気分離装置、 ８ 前記主熱交換器と直列に接いだ熱交換を行なう補助
    熱交換器を有する特許請求の範囲第７項記載の空気分離
    装置。 ９ 前記装置は日産２０トン乃至１００トンの液体製品
    を産出する能力を有する特許請求の範囲第７項記載の空
    気分離装置。
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