JPS6113152B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、アルミプレート式可逆熱交換器を採
用した空気分離装置の起動時における可逆熱交換
器の炭酸ガスの除去に関するものである。

空気分離装置においては、分離すべき圧縮され
た原料空気中に水分、炭酸ガス等の易凝縮性不純
物が包蔵されており、原料空気の液化の過程で、
これら不純物が析出凝固して原料空気の通路を閉
塞してしまう欠陥があるため、一般には、原料空
気の冷却と同時にこれら析出不純物を分離生成ガ
ス中に昇華随伴させて除去できる特徴を有する、
波形フインと平板とを交互に積層、ろう着して数
多くの微少通路を有するよう構成したアルミプレ
ート式可逆熱交換器（以下単に可逆熱交換器と称
する）が採用されている。

かかる可逆熱交換器の機能は、分離すべき圧縮
された原料空気と分離生成ガスとを互いに熱交換
させて、約５Kg/cm²Gに昇圧された原料空気を常
温から飽和温度付近（−172℃）まで冷却すると
同時に、原料空気中の易凝縮性不純物を熱交換器
内のフイン表面に一旦凝固付着せしめ、次にある
時間経過後通路を切替えて低圧の分離生成ガスを
逆方向に流し、原料空気と熱交換して外気温度ま
で温めると同時に、そこに凝固付着していた不純
物を同ガス中に昇華随伴させて除去し、長期の連
続運転を可能ならしめている。

しかしながら、可逆熱交換器は一般に複数のブ
ロツクを並例にならべ、各通路をヘツダーで連絡
した構造であるため、定格風量以下の減量運転す
なわち、装置の起動から整定運転状態に移る過程
においては、可逆熱交換器を流れる原料空気およ
び分離生成ガスの流量は著しい減量となるため、
その流れは偏流現象を起し、その結果、可逆熱交
換器の流通抵抗が増大する。

このような起動時の流量アンバランスを防止す
るためには、第１図に示すように可逆熱交換器２
から分離工程の精留塔６に送られる低温圧縮空気
の通路５と、精留塔６から可逆熱交換器２に戻さ
れる分離生成ガスの通路１３とを結ぶ連絡通路１
６と閉止弁１７を設け、起動時において、寒冷発
生のために膨脹機９に供給される空気を除いた過
剰空気を連絡通路１６を介して分離生成ガスの通
路１３に閉止弁１７により絞り膨脹させて戻し、
起動時においても定格風量に近い流量を流す方法
が従来からとられている。

可逆熱交換器を採用した空気分離装置において
は、原料空気中の水分、炭酸ガス等の易凝縮性不
純物を可逆熱交換器で析出、昇華させるために
は、原料空気と分離生成ガスとの温度差をある一
定値以内におさえることが必要である。

一般に、原料空気中の不純物のうち、水分は昇
華が容易であるため、運転中にトラブルの原因に
なることはほとんどなく、空気分離装置の詰りの
原因の大部分は微量な炭酸ガスによつてひき起さ
れている。第２図は、可逆熱交換器における炭酸
ガスの除去限界線と、可逆熱交換器内の原料空気
温度に対する分離生成ガスとの温度差を表わした
もので、図中の可逆熱交温度差曲線は、曲線ａ−
ｂ−ｃのごとく、常に炭酸ガス除去限界線の下側
になることが、可逆熱交換器で炭酸ガスを完全に
昇華除去する絶対条件となる。

しかし、従来の運転方法では、低温度圧縮空気
の通路から分離生成ガスの通路への連絡通路は、
第１図のように１系統しかなかつたため、可逆熱
交換器２の常温からの冷却段階および低温圧縮空
気通路５の温度が定状運転温度（−172℃）にな
つた時に、連絡通路１６から閉止弁１７の絞り膨
脹いわゆるジユールトムソン効果によつて、約10
℃温度の下がつた空気が分離ガス通路１３に合流
し、可逆熱交換器２冷端では、原料空気と分離生
成ガスとの温度差は第２図のａ−ｂ−ｅのごとく
なり、炭酸ガス除去限界線との交点ｄからｅまで
のＡ部の範囲は、完全に炭酸ガスが昇華除去でき
ないことになる。

これまでは、この範囲の炭酸ガスは微少である
ということから、起動時は止むを得ず不完全状態
のまま運転していたが、最近は、空気分離装置も
大形化の傾向を示し、起動時のこれら不完全状態
での運転操作ミスによる小さなトラブルでも、装
置停止の他に与える影響は非常に大きく、より完
全なる起動操作が要求されるようになつてきた。

本発明の目的は、このような要求にこたえるべ
く、起動時の可逆熱交換器での炭酸ガス除去の不
完全部分を解消し、空気分離装置の起動操作を容
易にし、起動時の炭酸ガスのトラブルを完全に無
くすることにある。

本発明は、起動時における可逆熱交換器の偏流
防止のため、低温度圧縮空気通路から分離生成ガ
ス通路に連絡配管を設けた前記公知の空気分離装
置において、低温度圧縮空気通路から更にもう一
つの精留塔出口分離生成ガス通路へ連絡通路を設
け、可逆熱交換器出口の圧縮空気温度が規定の温
度以下になつたら、連絡通路を切替使用すること
によつて、連絡通路を通つて閉止弁の絞り膨脹で
温度低下した寒冷を過冷却器および液化器で回収
し、可逆熱交換器へ戻る分離生成ガスの温度を第
２図の炭酸ガス除去限界線以内にするようにした
ものであり、他の一つは、前記公知の連絡通路
と、更に可逆熱交換器の再熱空気出口通路から分
離生成ガス通路へもう１つの連絡通路を設け、前
記公知の連絡通路の閉止弁の絞り膨脹で温度低下
した空気と上記再熱空気出口通路の温度の高い空
気を混合することにより、可逆熱交換器に戻る分
離生成ガスの温度を第２図の炭酸ガス除去限界線
以内にして、起動時においても可逆熱交換器で完
全に炭酸ガスを昇華除去するようにしたものであ
る。

以下、本発明の実施例を第３図および第４図に
より詳細に説明する。

まず、第３図において本発明の一実施例を説明
する。約５Kg/cm²Gに圧縮され常温に冷却された
原料空気は、通路１を通つて可逆熱交換器２に導
かれ、精留塔６からの分離生成ガスと熱交換する
ことによつて、圧縮空気の飽和温度近く（−172
℃）まで冷却される。この時、原料空気中の水
分、炭酸ガス等の易凝縮性不純物は可逆熱交換器
２内の通路１上に析出付着される。一方、分離生
成ガスは通路３を通つて可逆熱交換器２内で常温
まで温度回復し、装置外へ取出される。この際、
可逆熱交換器２内の通路３上に析出付着している
水分、炭酸ガスは昇華除去され、分離生成ガスと
一緒に装置外へ取出される。原料空気通路１と分
離生成ガスの通路３とは定期的（15〜20分毎）に
切替弁（図示せず）と逆止弁４によつて自動的に
切替えられる。定状運転時には、可逆熱交換器２
で飽和温度近くまで冷却され、不純物を除去され
た原料空気は、低温圧縮空気通路５を通つて大部
分は精留塔６に導かれる。残りの低温圧縮空気
は、通路７を通つて可逆熱交換器２の再熱空気と
なり、可逆熱交換器２で昇温され約−120℃とな
つて通路８を通つてきた低温圧縮空気と合流し、
約−150℃で膨脹機９に導かれ、断熱膨脹するこ
とによつて装置の寒冷をまかなつている。

膨脹機９で断熱膨脹した空気は通路１０を通つ
て精留塔６に吹込まれる。一方、精留塔６で分離
生成されたガスは、分離生成ガス通路１３を通つ
て可逆熱交換器２に戻される。分離生成ガス通路
１３の途中には、過冷却器１４、液化器１５が設
けられており、精留塔６出口の分離生成ガスの飽
和温度（約−193℃）から、可逆熱交換器２で炭
酸ガスを昇華除去できる温度（約−177℃）まで
昇温される。

しかしながら、装置の起動時においては低温分
離生成ガスが無いため、低温圧縮空気通路５の空
気の温度は常温に近く、原料空気中の不純物はそ
のまま装置内に持込まれることになるため、原料
空気は精留塔６に吹込まれることなくすべて膨脹
機９に導かれ、装置冷却源として使われる。

膨脹機９を出た空気は、起動時においては同様
に不純物が含まれているため、三方弁１１で起動
時のバイパス通路１２を通つて分離生成ガス通路
１３に導かれ、可逆熱交換器２の冷却に使われ
る。一般に、空気分離装置の膨脹機９の容量は、
原料空気の15〜30％の処理能力しかないため、起
動時には可逆熱交換器２を通る流量は極度に少な
く、減量運転による流量アンバランスを引き起
し、可逆熱交換器２での不純物除去が極めて困難
になる。このため、起動時においても、定状運転
時に近い流量を可逆熱交換器２に流すように前記
公知の連絡通路１６を設け、低温圧縮空気の一部
を分離生成ガス通路１３にバイパス混入させる方
法がこれまでとられてきた。

しかし、この方法は低温圧縮空気通路５の温度
が比較的高い状態においては問題ないが、可逆熱
交換器２が冷却されるにつれて、低温圧縮空気通
路５の温度も低下し、定状運転時の圧縮空気の飽
和温度近く（−172℃）まで低下すると、閉止弁
１７で絞り膨脹し、ジユールトムソン効果で温度
低下（約−182℃）した空気が、分離生成ガス通
路１３に混入されるため、可逆熱交換器２へ戻る
分離生成ガスの温度が規定値（−177℃）以下に
なり、第２図のｅ点に示すように、可逆熱交換器
２の冷端においては炭酸ガスが完全に昇華除去で
きなくなる。

本発明は低温圧縮空気通路１３と過冷却器１４
入口側の分離生成ガス通路１３とを結んだ連絡通
路１８と閉止弁１９を設け、低温圧縮空気通路１
３の温度がある一定温度以下になると、それまで
連絡通路１６、閉止弁１７を通つてバイパスされ
ている低温圧縮空気を、連絡通路１８、閉止弁１
９側に切替えて、閉止弁１９の絞り膨脹で温度低
下した寒冷を過冷却器１４、液化器１５で熱回収
し、可逆熱交換器２へ戻る分離生成ガス通路１３
の温度を規定値（−177℃）に戻すようにしたも
のである。

なお、本発明では、低温圧縮空気通路５から分
離生成ガス通路１３へ２系統の連絡通路１６，１
８を設けたが、もし、過冷却器１４および液化器
１５が起動時の不純物が入つている空気が流れて
も閉塞しないような熱交換器であれば、連絡通路
１６を省略して連絡通路１８の１系統だけでも同
様な効果を得ることができる。

しかし、上記過冷却器１４および液化器１５の
形式がアルミプレート式熱交換器などの場合に
は、起動時の低温圧縮空気通路５に水分、炭酸ガ
スが含まれているので、連絡通路１８から空気を
バイパスすることは、上記熱交換器１４，１５の
詰りをまねく結果になり好ましくない。このよう
な場合には、第３図のように２系列の連絡通路１
６，１８を設ける必要がある。

また、本発明の実施例としては、連絡通路１８
を分離生成ガス通路１３の過冷却器１４の入口側
に接続しているが、過冷却器１４と液化器１５の
間に接続しても同様の効果を得ることができる。

つぎに、第４図において本発明の他の実施例を
説明する。起動時の可逆熱交換器２の流量アンバ
ランスを防止するため、低温圧縮空気通路５より
分離生成ガス通路１３へ連絡通路１６、閉止弁１
７が設けられているのは上記第３図の実施例と同
様である。起動時、可逆熱交換器２の冷却が進
み、低温圧縮空気通路５から分離生成ガス通路１
３へ連絡通路１６を通つて閉止弁１７で絞り膨脹
で温度の下がつた空気が混入し、可逆熱交換器２
の冷端で炭酸ガスの昇華除去ができなくなると、
本発明の可逆熱交換器２の再熱空気出口通路７と
分離生成ガス通路１３とを結んだ連絡通路２０を
通して、温度の高い（約−120℃）再熱空気を閉
止弁２１で必要量だけ分離生成ガスへ混入させ、
可逆熱交換器２へ戻る分離生成ガスの温度を炭酸
ガスが昇華除去できる温度に調整する。

第４図の実施例では、可逆熱交換器２の再熱空
気を中間から取出しているが、再熱空気を可逆熱
交換器２の温端から取出し、常温にした再熱空気
を通路２０を通してバイパス混入させても同様な
効果を得ることができる。

以上述べたように本発明によれば、これまでア
ルミプレート式可逆熱交換器を採用した空気分離
装置の起動時に、可逆熱交換器で完全に炭酸ガス
を昇華できず、これによつて装置内に持込まれて
いたドライアイスのトラブルを解消することがで
き、空気分離装置の起動操作を極めて円滑に行な
うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のアルミプレート式可逆熱交換器
を採用した空気分離装置の系統図、第２図は可逆
熱交換器の温度差曲線と炭酸ガス除去限界線の説
明図、第３図は本発明の一実施例を示す空気分離
装置の系統図、第４図は本発明の他の実施例を示
す空気分離装置の系統図である。 １，３，８，１０……通路、２……可逆熱交換
器、４……逆止弁、５……低温圧縮空気通路、６
……精留塔、７……再熱空気出口通路、９……膨
脹機、１１……三方弁、１２……バイパス回路、
１３……分離生成ガス通路、１４……過冷却器、
１５……液化器、１６，１８，２０……連絡通
路、１７，１９，２１……閉止弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 分離すべき圧縮された原料空気の冷却ならび
   に水分、炭酸ガス等の不純物の除去を行なわせる
   ためにアルミプレート式可逆熱交換器を採用した
   空気分離装置において、可逆熱交換器から分離工
   程の精留塔に送られる低温圧縮空気の通路と精留
   塔から可逆熱交換器に戻される分離生成ガスの液
   化器出口から可逆熱交換器へ至る通路とを結ぶ連
   絡通路と閉止弁を設け、前記低温圧縮空気の通路
   と前記分離生成ガスの過冷却器または液化器入口
   通路とを結ぶ連絡通路と閉止弁を設けたことを特
   徴とする空気分離装置。 ２ 分離すべき圧縮された原料空気の冷却ならび
   に水分、炭酸ガス等の不純物の除去を行なわせる
   ためにアルミプレート式可逆熱交換器を採用し、
   可逆熱交換器から分離工程の精留塔に送られる低
   温圧縮空気の通路と精留塔から可逆熱交換器に戻
   される分離生成ガスの通路とを結ぶ連絡通路と閉
   止弁を設けた空気分離装置において、前記可逆熱
   交換器の再熱空気出口通路と前記分離生成ガスの
   通路とを結ぶ連絡通路と閉止弁を設けたことを特
   徴とする空気分離装置。