JPS594874A

JPS594874A - ガス分離装置

Info

Publication number: JPS594874A
Application number: JP11439382A
Authority: JP
Inventors: 英文斎藤
Original assignee: Shimadzu Corp; Shimazu Seisakusho KK
Current assignee: Shimadzu Corp; Shimazu Seisakusho KK
Priority date: 1982-06-30
Filing date: 1982-06-30
Publication date: 1984-01-11
Also published as: JPH0323830B2

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】本発明は、ガス分離装置に関するものである。

たとえば、空気と窒素と酸素とに分離するには、銃体状
の空気をその一計、が液化するまで冷却して窒素リッチ
な気体を得、この気体を別の個所で再びその一部が液化
するまで冷却してさらに窒素リッチな気体を得るという
操作を繰り返すことが必要でゐる゛。そして、このよう
な操作を連続的に行なわせる手段として、頂部側を底部
側よ・りも低温に維持した精留基円ｌこ通気性を有した
精留板を多段ｌこ配設しておき、前述のような液化操作
ｆこよって得られる液体を１段の精留板上から下段の精
留板上へ順次に流下させて該精留塔の底部方向へ導くよ
う１こするととも１こ、前記気体を前記各精留板の通気
孔および該精留板上の液体層内を順次１こ通過させて該
精留塔の頂部方向へ導くようｌこしたものがある。しか
して、このものは、前記精留板の下面側から通気口を通
して該精留板の上面側１こ形成された液体層内に導入さ
れた泡状の気体が相対的ｌこ低温な液体ｌζ接触すると
とｌこよって冷却され、該気体内の酸素成分の一部が液
化して前記液体内に溶出するととも′に前記液体内の窒
素成分の一部が気化して該気体内に取り込まれる（以下
この現象を１物質移動」と称す）ことＩこなる。そして
、このような物質移動が各精留板毎に行なわれる結果、
前記精留塔の頂部では窒素の割合がきわめて高くなり、
底部では酸素の割合がきわめて高くなるオつけである。

ところで、このような装置を用いて精留を行なう場合ｉ
こは、前記コンデンサ部分で吸収する熱量と、前記ボイ
ラ部分■こ付加する熱量が大きいほど、少ない段数の精
留板で高純度のガス分離を行なうことが可能となる。と
ころが、従来、コンデンサを効率よく冷却しかつボイラ
を効率よく加熱するシステムが開発されていないため、
高純度のガス分離を行なう場合は、精留板の段数の多い
大形の精留塔を用いざるを得ないという不都合かあっ　
ｔこ　。

本発明は、このような事情【こ着目してなされたもので
、精留塔のコンデンサ部分をヘリウム冷凍機等の極低温
冷凍機ｔこよって冷却し得るように構成するとともに、
該冷凍機の高温部から吐出される高圧の作動ガスの全部
または一部を前記精留塔のボイラ部分着こ配置した熱交
換器を経由させて前記冷凍機の低温部へ導く温調系路を
設けることによって、前述した不都合を簡単かつ確実ｆ
こ解消することができるようｌこしたガス分離装置を提
供するものである。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

図示しない断熱箱内に精留塔１を設けている。

精留塔１は、頂部Ｉこコンデンサ２を有するとともｌこ
底部１こボイラ３を有してなる筒状のもので、その中間
部１こ物質移動手段でゐる精留板４・・・を多段に設け
ている。精留板４・・・は、上下に貫通する多数の通気
孔４ａ・・・を有してなる皿状のもので、その上面部１
こ液体りが溜り得るようｆこなっている。

そして、これら各精留板４・・・の側縁１こは、各精留
板４・・・からあふれ出た液体りを下段へ流下させるた
めの液体通路４ｂ・・・が設けである。また、前記コン
デンサ２を極低温冷凍機、例えは、５ｏｌｖｅｙＣｙｃ
ｌｅ　ｔこよるヘリウム冷凍機５Ｉこよって、例えは８
０°に程度の温度状態に維持するようにしている。

ヘリウム冷凍機５は、高温部たる圧縮機構６から供給さ
れる高圧の作動ガス、つまり、ヘリウムガスを前記コン
デンサ２部分に配置した低温部たる膨張機構７で断熱膨
張させて前記コンデンサ２部分を冷却するよう１こ構成
したものである。詳述すれば、軸心回りに回転可能な軸
状の回転体８の下端側を前記精留塔１の頂部内に挿入し
、その挿入端部を芯１こして前記膨張機構７を構成して
いる。膨張機構７は、前記回転体８の挿入端部の外周囲
をケーシング９により囲繞するとともＩこ、前記挿入端
部ｌこその外周に開口する腹数本の溝１０・・・を放射
状ｆこ設け、これら谷溝１０・・・ｌこベーン１１・・
・を径方向に突没可能ｌこ嵌合させている。そしてこれ
らのベーン１１・・・を遠心力やばね力あるいは圧力等
ｌこより外方へ突出させてその先端を前記ケーシング９
の内周面９ａに摺接させること１こよって隣接するベー
ン１１．１１間ｌこそれぞれ膨張室１２・・・を形成し
ている。なお、ケーシング９の内周面９ａは、第４図に
示すような特殊な形状に形成されており、図１こ示す第
１領域１および第２領域■を通過中の膨張室１２・・・
は、前記回転体８の矢印Ｘ方向への回転１こ伴って漸次
容積が増大し、第３領域■を通過中の膨張室１２・・・
は、漸次容積が減少するよう１こなっている。また、前
記回転体８の内部に前記各膨張室１２・・・ｆこ対応す
る複数の蓄冷器１３・・・を設けている。蓄冷器１３は
、例えは、多数の小孔を有した銅板１４と図示しないス
ペーサとを交互Ｉこ複数個積層してなるもので、前記回
転体８０内部ｉこ円周方向に等角間隔をあけて形成され
た断面扇形の度数の空洞１５・・・内Ｉこそれぞれ収容
されている。そして、これら各蓄冷器１３・・・の低温
端１８Ｂ・・・側をガス流出入ボート１６・・・を介し
て対応する膨張室１２・・・にそれぞれ連通させろとと
も１こ、前記各蓄冷器１３・・・の高温端１８ｂ・・・
側を切換機構１７を介して給気系路１８または排気系路
１９１こ所定のタイミングで接続するよう１こしている
。切換機構１７は、前記回転体８の外周の前記精留塔１
外に位置する部位に固定リング２１を気密に嵌合させ、
この固定リング２１の内周ｌこ前記給気系路１８に連通
する給気ボート２２と前記排気系路１９１こ連通ずる排
気ボート２８とを円周方向Ｉこｎｒ定の間隔をあけて開
口させるとともに前記回転体８外周の前記固定リング２
１に対応する部位ｌこ前記各蓄冷器１３・・・に連通す
る複数のガス謬出入ボート２４・・・を円周方向ｌこ等
角間隔をあけて開口させてなるものである。なお、前記
給気ボート２２および排気ボート２３はそれぞれ円周方
向１こ細長なもので、前記給気ボート２２は前記第１領
域１を通過中の膨張室１２・・・ｌこ対応するガス流出
入ボート２４・・・Ｉこ連通し、前記排気ボート２３は
前記第３領域■を通過中の膨張室１２・・・ｌこ対応す
るガス流出入ボート２４・・・Ｉこ連通するよう１こ設
定されている。また、前記給気系路１８は、前記圧縮機
構６の吐出口６Ｒから吐出される高圧のヘリウムガスを
クーラ２５により空冷した後ｆこ前記給気ボート２２へ
導くようにしたものでめり前記クーラ２５の上流ｌこは
高圧タンク２６が設けであるとともｌこ、下流には電動
バルブ２７が介設しである。−万、排気系路１９は、前
記排気ボート２８を介して排出されるガスを前記圧縮機
構６の吸込口６ｂへ戻すようＩこしたものである。

そして、前記給気系路１８の電動バルブ２７介設２部に
、温調系路２８を設けている。温調系路２８は、前記給
気系路１８の前記電動ノ〈ルブ２７よりも上流部分のヘ
リウムガスを前記ボイラ８Ｉこ配置した熱交換器２９を
経由させて前記給気系路１８の前記電動バルブ２７より
も下流部分へ戻すようにしたもので、前記電動バルブ２
７０開度をｍ整すること１こよって該温調系路２８を流
れるヘリウムガスの流量を制御することができるよう１
こなっている。なお、原料ガスは、曲記゛ボイラ３部分
１こ配置した熱交換器（図示せず）を通過させた後、精
留塔１の中段部分１こ逐次供給するようＩこなっている
。

次いで、この装置の作動を説明する。なお、本実施例で
採用されているヘリウム冷凍機５は、６組の膨張室１２
・・・およびそれらＥこ対応する蓄冷器１３・・・等を
有しているが、これらは、それぞれ同一の作用を営むの
で、特定のものを選択しその記号１こ（）を付して説明
する、また、この冷凍機５の作動を説明する際ｉこ、「
膨張室（１２）が領域Ｌ　　Ｉｔ、Ｉまたは■に存在す
る」という表現まｔこは、それに準じた表現を用いるが
、これは「膨張室（１２）のガス流出入ボー）（２４）
に対応する部位が領域１．Ｒ，Ｉまたは■＋こ存在する
」ということを意味するものとする。

まず、ヘリウム冷凍機５の作動から説明すると、膨張室
（１２）が第１の領域１＋ζ存在する場合１こは、この
膨張室（１２）に対応するガス流出入ボート（２４）が
給気ボート２２と連通した状態となっている。そのため
、圧縮機構６から吐出された高圧のガスが給気系路１８
を通して前記ガス流出入ボート（２４）内へ導入され、
対応する蓄冷器（１８）を通して前記膨張室（１２）内
へ導びかれる。第１の領域Ｉに存在する膨張室（１２）
においては、回転進み側のベーン（１１）の受圧面積が
回転遅れ側のベーン（１１）の受圧面積よりも大きくな
っているの１、この膨張室（１２）内に高圧のガスが導
入されると前記回転体１１こ矢印Ｘ方向の回動付勢力が
働き、該回転体１が前記膨張室（１２）ととも１こ矢印
Ｘ方向に回転する。

そしてこの膨張室（１２）が第２の領域…へ移行すると
、前記ガス流出入ボー）（２４）が固定リング２１の内
周面ｌこよって閉止状態となり、給気系路１８からのガ
スの供給は止まるが、前記膨張室（１２）内１こ封入さ
れたガスは今まだ高い圧力を有しており、しかも前記両
ベーン（１１）、（１１）の、受圧面積の関係は前述し
たままであるため、該膨張室（１２）内のガスは前記回
転体８を矢印Ｘ方向へ付勢しつつ膨張することになる。

したがって、第２の領域■を通過中の膨張室（１２）内
のガスは断熱膨張を行ない、その温度が低下すること１
こなる。なお、ガスが断熱膨張を行なう際等１こ発生す
る回転体１の回転力は、該回転体８Ｉこ連結した発電機
（図示せず）等１こよって吸収する。

次いで、前記膨張室（１２）が、第３の領域■へ移行す
ると、前記ガス流出入ボート（２４）が排気ボート２３
と連通状態になる。そして、この領域１１こ存在する膨
張室（１２）はケーシング９の形状により回転体８の矢
印Ｘ方向への回転Ｉこ伴って容積が漸次減少するように
なっている。そめため、前記膨張室（１２）内の低温の
ガスは蓄冷器（１３）を冷しながら前記排気ボート２８
部分へ導びかれ排気系路１９を介して順次圧縮機構６へ
戻さｉすること１こなろ。このよう１こして、内部のガ
スをはき出した膨張室（１２）は次１こガス流出入＋：
］　（２４）が閉止される第４の領域■へ移行し、この
領域■を通過した後、前記第１の領域Ｉへ戻ることＩこ
よって１サイクルを終える。したがってこのようなサイ
クルを＠度も繰り返すこと１こよって、前記ケーシング
９部分が極低温となり、精留塔１のコンデンサ２が冷却
され続けることｆこなる。

しｔこがって、空気の分離を行なうξこは、まず前記ヘ
リウム冷凍機５を作動させるとともに、原料空気を精留
塔１内１こ供給する。そして、前記原料空気の一部が液
化して各精留板４・・・上１コ、前記液体りが所要置部
るまで以上の予備運転を続け、しかる後ｆこ、定常運転
に移行する。すなわち、前記ヘリウム冷凍機５の運転お
よび前記精留塔１内への原料空気の供給を定常的ｌこ行
なう。そうすると、前記各精留板４・・・部ｆこおいて
、該精留板４・・・上１こ存在する液体Ｌ・・・と前記
精留塔１内を上方１こ向って流れる気体Ｇとが接触して
前述しｔコ物質移動が行われる。そのため、前記液体り
はＦ段へ移行する毎に酸素リッチとなりｎＩＩ記気体Ｇ
は」二段へ移行する毎１こ窒素リッチｆこなる。そして
、前記精留塔１の頂部では、非常に窒素リッチ１こなっ
ｔ：気体Ｇ５ｌ９！ｉず第１は、若干の酸素を含んだ窒
素カスがコンテンツ２１こより液化されて最上段の精留
板４上へ戻されるとともぎこ純度の高い窒素ガス（要す
ｉｌは、液体窒素）が製品として外部へ取り出される。

また、前記精留塔１の底部では、ボイラ３１こ溜る酸素
リッチな液体■・が該ボイラ３を通過する原料空気の保
有する熱１こよって温めらｉｌる・そね、１こよって、
窒素成分を少しでも多く含Ａ、　？ご酸素ガスが自１工
記ボイラ８から蒸発して精留板４へ供給さＪ］るととも
に、液体酸素（要すれは、酸素ガス）が製品古して外部
へ取’）　ＩＢされる。

以上の八木動作（こより、原料空気を窒素と酸素とｆこ
分離することができるわけであるが、本装置では、さら
ｌこ、ヘリウム冷凍機５の給気系路１９１こ温調系路２
８を付設し、圧縮機構６から吐出されるヘリウムガスの
一部（電動バルブ２７を全開ｉこした場合ｌこは全部）
を前記ボイラ３部分Ｉこ配置した熱交換器２９を経由さ
せて該冷凍機５の膨張機構７へ導くようにしてい名ので
、前記ボイラ３部分で冷された高圧・＼リウムガスが前
記膨張機構７１こ供給されること１こなる。そのｊこめ
、圧縮機構６から吐出される温度の高いヘリウムガスを
クーラ２５＋こより冷却した後、直接に膨張機構７へ供
給する場合ｌこ比べて該冷凍機５の冷凍能力を高めるこ
とができる。換言すれば、ヘリウムガスを予冷オるため
のクーラを大がかりなものＩこしなくても高い冷凍能力
を発揮させることができる。−万ボイラ３は、前記温調
系路２８の熱交換器２９を通過するヘリウムガスから熱
を付与されること１こなるので、蒸発能力が向とする。

換言すれば、コンデンサ２部分で吸収した熱の一部が前
記温調系路２８を流れるヘリウムガスを介しでボイラ８
内に運び込まれることｌこなるので、例えは、ボイラ３
Ｉこヒータ等を設けて外部からエネルキーを付加するこ
となしｉこボイラ８の能力を高めることができる。した
がって、このようなものであれは、大がかりなり−ラを
用いたり外部から多大なエネルリ、少ない段数の精留板
４・・・を用いて＾純度のガス分離を行なうことができ
るものである。まＩこ、この実施例のよう１こ、温調系
路２８を電動バルブ２７１こ並列に設けておけば、前記
バルブ２７の開度を調節することによって、前記温調系
路２８を流しるガスの流量を変えることができるので、
コンデンサ２部分で吸収する熱量とボイラ３部分子こ供
給する熱量を自在１こ制御することができるという利点
も得られる。

なお、極低温冷凍機は、ヘリウムガスを作動ガスとする
ものｌこ限られないのは勿論であり、また、ロータリ弐
安ものＩこ限らず、レシプロ式のものであってもよい。

また冷凍機は５ｏｌｖｅｙ−ＣｙｃｌｅＩコ限らず、Ｇ
ｉｆｆｏｒｄ−ＪｃＡｌａｈｏｎ　Ｃｙｃｌｅ　テもよ
い。

まｔこ、分離するガスは空気ｆこ限らず、他のものであ
ってもよい一本発明は、以上のような構成であるから、構成が簡単で
効率が高く、きわめてコンパクトなガス分離装置を提供
できるものである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示し、第１図は概略正断面図
、第２図は第１図におけるＡ　−Ａ線断面図、第３図は
第１図ｉこおけるＢ−Ｂ線断面図、第４図は第１図にお
けるＣ−Ｃ線断面図である。 ■・・・精留塔　　２・・・コシテンサ３・・・ボイ′
７　４・・・物質移動手段（精留板）５・・・極低温冷
凍機（ヘリウム冷凍機）６・・・高温部（圧縮機構）７・・・低温部（膨張機構）２８・・・温調系路　　２９・・・熱交換器代理人　弁
理士　赤澤−博

Claims

【特許請求の範囲】

頂部にコンデンサを有するとともに底部にボイラを有し
かつ中間部に気液を接触させて物質移動を行なわせるだ
めの物質移動手段を設けてなるＭ留塔と、高温部から供
給される高圧の作動ガスを前記コンデンサ部分に配置し
た低温部で断熱膨張まだは等温膨張させて前記コンデン
サ部分を冷却する極低温冷凍機と、この冷凍機の高温部
から吐出される高圧作動ガスの全部または一部をｉｌ［
記ボイラ部分に１！！！［！置１．た熱交換器を経由さ
せて前記冷凍機の低温部へ導く温調系路とを具備してな
ることを特徴とするガス分離装置。