JPS6038631B2 - 空気の液化分離方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は空気の液化分離方法に係り、特に複式精留塔を
採用し、低圧力の状態で空気の分離が可能な空気の液化
分離方法に関する。

空気中の成分を、沸点差を利用して半音蟹を行ない、空
気を分離する空気の液化分離装置においては、原料の空
気を圧縮機により圧縮する必要がある。

空気の液化分離装置は、大容量のものが多く原料空気を
圧縮する動力費が嵩むため、動力費の低減が強く要望さ
れている。この圧縮機が消費する電力は、圧縮機の吐出
圧力、すなわち原料空気の圧力とほぼ比例関係があるた
め、原料空気の圧力を低減することによって、空気の液
化分離プラントの動力を低減することが出来る。圧縮さ
れ、さらに冷却された原料空気から高純度の酸素を分離
するには、原料空気を中圧塔で一次糟留を行ない、次に
低圧塔で二次糟蟹を行なういわゆる複式精蟹塔を必要と
する。

この複式精蟹塔の操作には、低圧塔および中圧塔におい
てて、上昇ガスと還流液が棚段上で気液接触することに
よって糟留が行なわれるため、各々上昇ガスと還流液の
存在が必要である。従来は、これら上昇ガスおよび還流
液を得る方法によって２分される。

従来の第１の方法は、原料空気を中圧塔々底に導いて、
中圧塔の上昇ガスとなし、一次精解して得られた中圧塔
々頂の窒素ガスと、二次精留して得られた低圧繁々底の
液体酸素と熱交換し、前記窒素ガスを凝縮させて、中圧
塔の還流液となすとともに、その一部を低圧塔々頂に導
いて、低圧塔の還流液となし、前記液体酸素を蒸発させ
て低圧塔の上昇ガスとなす方法である。

この従来の第１の方法は、窒素ガスと液体酸素とを熱交
換し、互いに相変化を起こさせるには窒素ガスの圧力、
すなわち中圧塔の圧力を液体酸素の圧力、すなわち低圧
塔の圧力より高く維持する必要がある。通常低圧塔の圧
力は、１．３ｋｇ／ｃめ、窒素ガスと液体酸素との熱交
換の温度差は２Ｋとされるため、液体酸素の温度は約９
〆Ｋ、窒素ガスの温度は約９４Ｋとなり、したがって中
圧塔の圧力は約５．２ｋ９／地と高い値に維持しなけれ
ばならない。従って従来の第１の方法は、前記したごと
く中圧塔の圧力、すなわち原料空気の圧力が高く、この
ため圧縮機の消費電力の大きいことが問題であった。こ
の従来の第１の問題を解決するため、一部の原料空気と
低圧塔々底の液体酸素とを熱交換し互いに相変化を起こ
させる方法が最近試みられている。第１図は、従来の第
２の方法を説明する図である。

第１図において、原料空気の一部は２分され、その一部
は配管３０を通って低圧塔２の塔底２ａの凝縮器４に導
かれ、低圧塔２の繁底２ａの液体酸素を蒸発させて、低
圧塔２の上昇ガスとなし、原料空気は凝縮して配管３２
を通して中圧塔１に導かれる。

一方、残りの原料空気は、配管３１を通って中圧塔１の
塔底ｌａに導かれ、中圧塔１の上昇ガスとなる。中圧塔
１および低圧塔２の還流液は次の様にして得られる。す
なわち液体酸素、あるいは液体酸素より沸点の低い液化
ガスを装置外に準備し、この液化ガスを配管３４を通し
て中圧塔１の塔項ｌｂの凝縮器３へ導いて、中圧塔１の
塔頂ｌｂの窒素ガスと熱交換させ、窒素ガスを凝縮させ
て、中圧塔１の還流液となすとともに、その一部を配管
３３、膨張弁７を通して低圧となし、低圧塔２の繁頂２
ｂに導き、低圧塔２の還流液となす。一方凝縮器３で熱
交換された液化ガスは蒸発して配管３５を通り装置外へ
取出される。上記した従来の第２の方法では、原料空気
の圧力は、原料空気と低圧塔々底２ａの液体酸素との熱
交換の成立条件によって定まる。すなわち通常の低圧塔
２の圧力は１．３ｋ９ノゆであり、凝縮器４の温度差が
２Ｋの場合、液体酸素の温度は約９〆Ｋ、原料空気の温
度は約９４ｋとなり、したがって原料空気の圧力は３．
６ｋｇ／のとなる。このように従来の第２の方法は、第
１の方法と比較して、原料空気の圧力は約１．６ｋ９／
係低減されており効果をあげている。しかし原料空気の
圧力３．６ｋ９／地は、まだ高く、圧縮機の消費電力も
まだ大きな量であるという問題があった。本発明は上述
の点に鑑み成されたもので、その目的とするところは動
力費を低減できるようにななした空気の液化分離方法を
提供するにある。

本発明は圧縮機で圧縮され、更に熱交換器で冷却された
原料空気の一部を中圧塔に導き、該中圧塔での上昇ガス
となし、その上昇ガスを第１凝縮器で得られる還流液と
気液接触させて糟留し、中圧済々頂で窒素ガスを得ると
共に、前記還流液は、中圧繁々底で液体空気となし、一
方、他の原料空気を第２凝縮器に導き、該第２凝縮器で
低圧塔の液体酸素と熱交換し、該液体酸素を蒸発させ、
蒸発した酸素ガスは低圧塔での上昇ガスとなり、その上
昇ガスは低圧済々頂からの還流液と気液接触させて精留
し、前記還流液は、低圧塔々底で液体酸素となるように
した空気の液化分離方法において、前言己低圧塔で得ら
れた酸素の一部を、前記第２凝縮器に導かれる前の前記
原料空気に混合させることにより初期の目的を達成する
ように成したものである。以下本発明の−実施例を図面
に基づいて詳細に説明する。

尚、符号は従来と同一のものは同符号を使用する。図面
の実施例第２図は本発明の空気の液化分離方法の一実施
例を示し、その構成と作用を説明する図である。

該図において、１は−次糟蟹を行なう中圧塔、２は二次
糟蟹、つまり最終精蟹を行なう低圧塔、３は中圧塔々頂
の窒素ガス凝縮するための第１凝縮器、４は低圧塔々底
２ａにおいて、一部の原料空気と液体酸素と熱交換する
第２凝縮器、６、及び７は中圧塔１と低圧塔２の間に有
り、圧力を低圧になす膨張弁、５は後述詳細説明するが
本発明である低圧塔２で得られた酸素を原料空気に混合
させ循環使用する際に、酸素を原料空気の圧力まで圧縮
し加圧する圧縮機である。

本実施例はこのように構成されるが、この構成における
作用を以下に説明する。圧縮機（図示せず）で圧縮され
、前プロセスの熱交換器（図示せず）で冷却されるとと
もに、緑分、炭酸ガス等が除去された原料の空気の一部
は、配管８を通り中圧塔１の底部に導かれ、中圧塔１の
上昇ガスとなり、第１凝縮器３で得られる還流液と気液
接触して糟蟹され、繁頂ｌｂでは純度の高い窒素ガスと
なる。

還流液は、中圧塔１の塔底也ａでは酸素濃度が高くなっ
た液体酸素となる。この液体酸素は配管１１を通り、膨
張弁６によって断熱膨張され、低圧となりその一部は第
１凝縮器３に導かれ中圧塔１の搭頂ｌｂの窒素ガスと熱
交換して窒素ガスを凝縮させ、自身は蒸発して、ガス化
され気体空気となり、配管１０を通り低圧塔２の中部に
導かれる。一方２分された残りの液体空気は配管９を通
り液状で低圧塔２に導かれる。この際気体空気の低圧塔
２への導入位置は気体空気と、低圧塔２を上昇するガス
の酸素濃度が一致する位置に、また液体空気の低圧塔２
内への導入位置は液体空気と低圧塔２を流下する還流液
の酸素濃度が一致する位置となすことが肝要である。中
圧塔１の塔頂ｌｂで凝縮した液体窒素は、中圧塔１の還
流液となるとともに、その一部は中圧塔１から取出され
て、配管１４を通り膨張弁７により断熱膨張され、低圧
化されて、低圧塔２の塔頂２ｂに導かれ、低圧塔２の還
流液となる。一方２分された残りの原料空気は、配管１
２を通って低圧塔２の巻底２ａの第２凝縮器４に導かれ
、低圧塔々底２ａの液体酸素と熱交換を行ない液体酸素
を蒸発させる。蒸発した酸素ガスは、そのまま低圧塔２
の上昇ガスとなり繁頂２ｂからの還流液と気液接触して
糟蟹され、上昇ガスは低圧塔２の努頂２ｂでは窒素成分
に富む窒素ガスとなり塔頂２ｂから配管２５を通して取
出され、還流液は低圧塔２の塔底２ａでは純度の高い液
体酸素となる。一方、凝縮された液体空気は配管１３を
通り中圧塔１に導かれる。酸素を製品として取り出すと
きは、液体酸素の場合は低圧塔２の搭底２ａの液体酸素
を配管１５を通して取り出し、気体酸素の場合は液体酸
素の直上の気体酸素を配管１６を通して取り出す。そし
て本実施例では、低圧塔２の塔底２ａより配管１６を通
して取り出される純度の高い気体酸素の一部を配管１７
を通し、圧縮機５で原料空気と同じ圧力まで圧縮し、加
圧して配管１８を通し、２分された原料空気のうち、第
２凝縮器４に導かれ前の源料空気が通る配管１２に通し
、原料空気に混合し、循環使用している。その結果、第
２凝縮器４に導かれる原料空気は、空気よりも酸素濃度
の高い原料気体となり、これを上述と同様の作用をなす
ことにより、原料空気の圧力を従来の圧力よりも大幅に
低減でき、原料空気を圧縮する圧縮機の動力費を大幅に
低減できると共に、それに伴い、吐出圧の低い安価な圧
縮機を便することができる。次にこのような本実施例に
おける効果を確認するために本発明者が行った実験結果
を第３図に示す。

複式券青留塔においては、低圧塔々底２ａの第２凝縮器
４に導かれ、液体酸素と熱交換を行なう原料気体中の酸
素濃度が高い程、原料気体の圧力、すなわち原料空気の
圧力は小さくなる。

この結果を示すのが第３図である。該図は横軸に液体酸
素と熱交換する原料空気の酸素濃度（％）を縦軸に原料
空気の圧力（飽和圧力）（ｋ９／塊Ｇ）を取り、凝縮器
の温度差（原料空気と液体酸素の温度差）△ｔが種々の
場合について、上述した両者の関を従来と本実施例の場
合を調べた結果である。該図よりも明らかな如く、たと
えば原料気体は酸素濃度が２１％の空気であることが知
られており、△らが２Ｋの場合には従来の原料空気は酸
素濃度が２１％であり、その時の原料空気の圧力は３．
６ｋｇ／ｃ髭であるが、本実施例では製品として取り出
された気体酸素を酸素濃度２１％の原料空気に混合して
循環使用しているため、その酸素濃度は高くなり、たと
えば酸素濃度が４０％と高くなった場合には、原料空気
の圧力は２．８ｋ９／地に低減されている。更に酸素濃
度が６０％にもなった場合には、原料空気の圧力は２．
２ｋ９／汝と従来の原料空気の圧力より大幅に低減され
ることがわかる。△ｔ２が１．６Ｋ，△らが１．ぴＫの
場合でも原料空気の圧力が低下しており、同様なことが
いえる。上述した如く、原料空気の圧力が低減すると圧
縮機の動力費が低減するため、本実施例での効果が明ら
かとなることがわかるであろう。低圧塔々底の液体酸素
と熱交換を行なう原料空気中の酸素濃度は、循環使用す
る酸素量を適切に調整することにより、任意の酸素濃度
に選定することができる。

この結果を示すのが第４図である。

該図は液体酸素と熱交換する原料気体の酸素濃度の選定
のしかたを表わすもので、２分された原料空気の配管１
２を通る原料空気の２分される以前の原料全空気量に対
する種々の割合（Ｚ，＝０．２，Ｚ２＝０．４，Ｚ３＝
０．６，Ｚ４＝０．８）の場合の循環使用する酸素量の
原料全空気量に対する倍率ｘと、液体酸素と熱交換する
原料気体の酸素濃度ｙ（％）の関係を示す。該図におい
て、たとえばｘ：０の場合、すなわち、製造された気体
酸素を原料空気に混合しない従来のものではＺ．，Ｚ，
Ｚ３，Ｚ４いずれの場合もｙ（酸素濃度）は２１％であ
るが、Ｚ，三０．２の場合には、ｘを変えるとｘ＝０．
２でｙ＝６１％，ｘ二１．０でｙ＝８６％，Ｚ＝０．４
とした場合はｘ＝０．２でｙ＝４７％，ｘ＝１．０でｙ
＝７８％，Ｚ３＝０．６のとした場合には×＝０．２で
ｙ＝４１％，×＝１．０でｙ＝７１％，Ｚ４＝０．８と
した場合にはｘ＝０．２でｙ＝３７％，×＝１．０でｙ
＝６５％となる。このようにして、液体酸素と熱交換す
る原料気体の酸素濃度を自由に選定できる。上述した如
く、Ｚ，、Ｚ２、Ｚ、Ｚ４いずれの場合の酸素濃度も従
来の酸素濃度よりも高く、これらの酸素濃度より第３図
より原料空気の圧力は従来のものより低減できることが
わかり、種々の条件により酸素濃度を選定しても同様の
効果であることがわかる。さらに低圧済々底の純度の高
い製品酸素の一部を準境使用しているため、系全体にお
いて酸素の流出はなく、したがって製品酸素の循環使用
の有無、循環量の大小によって系外に取出せる製品酸素
が変化することなく、一定量の酸素を生産し得る。

第５図は、本発明の空気の液化分離方法の第２の実施例
を説明する図である。

上述した第１の実施例では、２分された低圧塔々底の液
体酸素と熱交換する原料空気の酸素濃度を高めるために
低圧塔々底の気体酸素を使用したが、本実施例では、原
料空気の酸素濃度を高めるために低圧繁々隊の液体酸素
を使用している。該図を詳細に説明すると低圧塔２の塔
底２ａから、循環使用される一部の液体酸素は、配管２
４を通り熱交換器２０１こ流入される。

流入された液体酸素は、熱交換器２０内で蒸発し、加圧
状態となった気体酸素となり、配管１７および圧力緩衝
器１９を通り、配管１２を流れる原料空気と混合され、
空気よりも酸素濃度の高い原料気体となる。さらに詳し
くは、低圧塔２の塔底２ａから取出され、循環使用され
る液体酸素は、配管１５から一部分枝され、配管２４を
通り、切替弁２２ａを介して、第１の熱交換機２０‘こ
貯められる。液体酸素は、熱交換器２０内で配管２３を
通って、熱交換器２０１こ入る高温ガス、例えば冷却後
の原料空気等と、熱交換を行なう。熱交換器２０内では
、液体酸素は蒸発し、加圧状態となった気体酸素と液体
酸素となる。所定の圧力に加圧された気体酸素は、切替
弁２６ａを介して配管１７を通り、圧力緩衝器１９を経
て、配管１２を流れる原料空気中に混合され空気より酸
素濃度の高い原料気体となる。交換された高温側のガス
は、配管２５を通ってプロセス上必要な箇所へ導かれる
。

熱交換器２０内の液体酸素の蒸発によって液面が低下す
ることになるが、一定液面に達したとき、他の熱交換器
２１と切替えることによって、連続して圧力の高い気体
酸素を配管１２へ送ることができる。

即ち、熱交換器２０内の液体が一定液面に達したときは
、配管１５から分枝され配管２４を通る液体酸素を切替
弁２２ｂを介して熱交換器２１に貯められ、上述した第
１の熱交換器２０と同様の作用をなし、気体酸素は切替
弁２６ｂを介して配管１７に送られ以下は同機に配管１
２を通る原料空気に混合される。そしてこれを交互に行
なわせることによって長時間の運転を行うことができる
。本実施例では、圧力緩衝器１９を設けているが、これ
を省くこともできる。しかし、熱交換器２０，２１の切
替により、配管１２に流れ込む気体酸素の圧力が脈動す
るため圧力緩衝器１９を設ける方が望ましい。さらに、
第２の実施例においては、２個の熱交換器を各々切替え
て使用する場合について説明したが、使用する熱交換器
が２個以上の複数個であれば、より円滑な切替えが可能
となる。

今まで説明してきた本実施例でも、原料空気中の酸素濃
度を高くすることができるので、圧縮器の動力費を低減
できることは勿論、熱交換器内の液体酸素は、自身の蒸
発により、低圧塔々底の液体酸素の圧力より高く、かつ
原料気体と同じ圧力の気体酸素となり、原料空気と混合
することができるため、第２図の実施例で使用した圧縮
器５を省くことができる。

また、酸素雰囲気中で電動機を使用することは安全上好
ましくないが、本実施例では圧縮機を省いているため安
全性が向上する。第６図に、本発明の空気の液化分離方
法の第３の実施例を示す。該図においては、中圧塔１と
低圧※２とを隔壁４０を隔てて積重ねて連立させ、実質
的に１塔形式に構成している。そして、本実施例でも低
圧塔々底２０で得られた気体酸素を配管１６より一部を
配管１７に分枝され、圧縮機５を介して配管１８を通り
、２分された原料空気の通っている管１２に導き、原料
空気を混合させている。酸素濃度の高まった原料空気を
第２凝縮器４に導いているため、上述と同様の効果を得
ることができる。更に本実施例では、中圧塔１と低圧塔
２を重ねて「１塔形式となっているため、装置の据付面
積が縮小できる効果を奏する。尚、本実施例において、
中圧塔々底の液体を液体空気、中圧塔々頂の気体を窒素
ガス、および気体の凝縮した液体を液体窒素、また低圧
塔々底の液体を液体酸素と表現したが、この表現はそれ
ぞれの濃度が液体空気、窒素ガス、液体窒素、液体酸素
に近い組成を示すという意味であり、空気の液化分離に
関しては、通常このような広義の表現が行なわれる。特
に中圧塔々底の液体の酸素濃度は２５〜４５％程度にな
るにもかかわらず液体空気と表現される。したがって厳
密な意味で液体空気、窒素ガス、液体窒素、液体酸素と
は相異している場合においても、これら該当表現の位置
関係が同じであれば当然本発明に包含されるものである
。以上説明した本発明の空気の液化分離方法によれば、
低圧塔々底で得られた酸素の一部を、２分された原料空
気の第２凝縮器に導かれる原料空気に混合し、循環使用
するようにしたものであるから、第２凝縮器に導かれる
原料空気の酸素濃度は高いものとなり、これを圧縮する
圧縮機の動力費を大幅に低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の空気の液化分離方法を示すフローシート
図、第２図は本発明の空気の液化分離方法の一実施例を
示すフ。 −シート図、第３図は本発明者の試験結果を示し、熱交
換を行なう２流体の温度差が２Ｋにおける液体酸素と熱
交換する原料気体の酸素濃度と原料空気の圧力との関係
を示す特性図、第４図は本発明者による試験結果を示し
、２分された原料空気の、２分される前の原料全空気量
に対する種々の割合における循環使用する酸素量の原料
全空気量に対する倍率と、液体酸素と熱交換する原料気
体の酸素濃度の関係を示す特性図、第５図は本発明の空
気の液化分離方法の第２の実施例を示し、低圧塔々底部
の精製酸素を循環使用するフローシートの詳細図、第６
図は本発明の空気の液化分離方法の第３の実施例を示す
フローシート図である。符号の説明、１・・・・・・中
圧塔、ｌａ・…・・中圧繁々底、ｌｂ・・…・中圧繁々
頂、２・・・・・・低圧塔、２ａ・・・・・・低圧塔々
底、２ｂ・・・・・・低圧繁々頂、３……第１凝縮器、
４・・・・・・第２凝縮器、５・・・・・・圧縮機、６
，７・・・・・・膨張弁、１９・・・・・・圧力緩衝器
、２０，２１・・・・・・熱交換器、２２ａ，２２ｂ，
２６ａ，２６ｂ・・・・・・切替弁、４０・・・・・・
隔壁。 努ー図第２図 第３図 繁々図 第５図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧縮機で圧縮され、更に熱交換器で冷却された原料
   空気の一部を中圧塔に導き、該中圧塔での上昇ガスとな
   し、その上昇ガスを第１凝縮器で得られる還流液と気液
   接触させて精留し、中圧塔塔頂で窒素ガスを得ると共に
   、前記還流液は、中圧塔塔底で液体空気となし、一方、
   他の原料空気を第２凝縮器に導き、該第２凝縮器で低圧
   塔の液体酸素と熱交換し、該液体酸素を蒸発させ、蒸発
   した酸素ガスは低圧塔での上昇ガスとなり、その上昇ガ
   スは低圧塔塔頂からの還流液と気液接触させて精留し、
   前記還流液は、低圧塔塔底で液体酸素となるようにした
   空気の液化分離方法において、前記低圧塔で得られた酸
   素の一部を、前記第２凝縮器に導かれる前の前記原料空
   気に混合させたことを特徴とする空気の液化分離方法。 ２ 前記低圧塔で得られた酸素の一部を、圧縮機で圧縮
   して前記原料空気の圧力とほぼ同様にし、前記第２凝縮
   器に導かれる前の前記原料空気に混合させたことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の空気の液化分離方法
   。３ 前記酸素を、前記低圧塔塔底で得られる気体酸素
   としたことを特徴とする特許請求の範囲第１項、又は第
   ２項記載の空気の液化分離方法。 ４ 前記酸素を、前記低圧塔塔底で得られる液体酸素と
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項
   記載の空気の液化分離方法。 ５ 前記酸素を、前記低圧塔塔底で得られる液体酸素と
   し、更にこの液体酸素を熱交換器に導き、その器内で蒸
   発させて気体酸素とし、該気体酸素を前記第２凝縮器に
   導かれる前の前記原料空気と混合させたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の空気の液化分離方法。 ６ 前記熱交換器を複数個設け、各々を切替弁を介して
   交互に使用することを特徴とする特許請求の範囲第５項
   記載の空気の液化分離方法。