(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機で圧縮した原料空気を精製設備に導入する圧縮空気経路と、該精製設備で精製された原料空気を主熱交換器に導入する精製空気経路と、該主熱交換器で露点付近まで冷却された原料空気を精留塔に導入する冷却空気経路と、該精留塔で分離した塔上部の窒素ガスの一部を前記主熱交換器を通して製品として採取する製品窒素ガス採取経路と、前記窒素ガスの残部を凝縮器の凝縮側に導入する窒素ガス経路と、該精留塔で分離した塔下部の酸素富化液化空気を凝縮器の蒸発側に導入する液化空気経路と、該凝縮器での前記酸素富化液化空気との熱交換によって凝縮した液化窒素を前記精留塔に還流液として導入する還流液経路と、該凝縮器での前記窒素ガスとの熱交換によって蒸発した酸素富化空気を前記主熱交換器を通して導出する酸素富化空気導出経路と、該酸素富化空気導出経路に導出した酸素富化空気を前記精製設備の再生ガスとして供給する再生ガス供給経路とを備え、前記主熱交換器、前記精留塔、前記凝縮器及びこれらを接続する低温経路を保冷槽内に収納した空気液化分離装置において、前記酸素富化空気導出経路における前記主熱交換器より下流側の常温側経路に、前記酸素富化空気の流量を測定する流量測定手段を設けるとともに、該流量測定手段の測定流量に基づいて前記液化空気経路を流れる前記酸素富化液化空気の流量を制御する流量制御手段と、該流量制御手段が取り付けられる前記液化空気経路の一部とを、前記保冷槽に連設した保冷箱内に設けたことを特徴とする空気液化分離装置。
【請求項２】
前記流量測定手段は、前記再生ガスの流量計を兼ねていることを特徴とする請求項１記載の空気液化分離装置。
【請求項３】
前記酸素富化空気導出経路に、前記酸素富化空気を断熱膨張させて寒冷を発生する膨張タービンを設けるとともに、該膨張タービンを前記保冷箱内に設置したことを特徴とする請求項１記載の空気液化分離装置。
【請求項４】
原料空気を圧縮する圧縮工程と、該圧縮工程で圧縮された原料空気を精製する精製工程と、該精製工程で精製された原料空気を露点付近まで冷却する冷却工程と、該冷却工程で冷却された原料空気を低温蒸留して窒素ガスと酸素富化液化空気とに分離する精留工程と、前記窒素ガスの一部を製品として採取する製品窒素ガス採取工程と、前記酸素富化液化空気と前記窒素ガスとを熱交換させて前記酸素富化液化空気を蒸発させるとともに前記窒素ガスを凝縮させて前記精留工程の還流液とする凝縮工程と、該凝縮工程で蒸発した酸素富化空気を前記冷却工程の冷却源として使用し、前記原料空気との熱交換により常温に加温する加温工程とを有する空気液化分離方法において、前記加温工程を経た酸素富化空気の流量を測定し、該測定した酸素富化空気の流量に基づいて前記凝縮工程に供給する前記酸素富化液化空気の流量を制御することを特徴とする空気液化分離方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気液化分離装置及び方法に関し、詳しくは、圧縮、精製、冷却した原料空気を精留塔に導入して低温蒸留することにより空気成分を分離し、窒素や酸素を製品として採取する空気液化分離装置及びその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空気を原料として窒素を採取する窒素製造装置として、単精留塔により空気を低温蒸留する空気液化分離装置が広く用いられている。このような空気液化分離装置において、前記単精留塔の運転状態を一定とするためには、単精留塔下部から抜き出す酸素富化液化空気の流量を一定に制御する必要がある。このため、酸素富化液化空気が流れる経路に流量計と流量制御弁とを設置し、流量計の測定値に基づいて流量制御弁の開度を調節し、経路内の流量が一定になるするようにしている。
【０００３】
空気液化分離装置では、主熱交換器以降の低温流体を処理する機器やこれらを接続する経路をコールドボックスと呼ばれる保冷槽内に収納している。この保冷槽は、点検等が不要な精留塔、主熱交換器、凝縮器等の各機器や配管の周囲にパーライト等の断熱材を充填して真空引きした状態となっている。一方、前記流量計や流量制御弁のような機器は、保守点検を行う必要上、保冷槽に連設した保冷箱内に収納するようにしている。この保冷箱は、保冷材を設けて断熱性を確保するとともに、蓋等を開くことによって内部の機器を点検したり、交換したりできる構造となっている。したがって、前記酸素富化液化空気の経路の一部を前記保冷槽から保冷箱内に引き出し、この保冷箱内の配管に前記流量計や流量制御弁を設置するようにしていた。また、従来は、制御性や応答性のみを重視し、流量計と流量制御弁とは、できるだけ近い位置に設置するようにしたいた（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
【非特許文献１】
高井，本田、「半導体向け高純度窒素製造装置」、日本酸素技報、日本酸素株式会社、１９９１年、Ｎｏ．１０、ｐ．９〜１３（第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のような保冷箱は、機器を点検する際の作業性等を考慮して保冷槽の下部に連設した状態で一体的に形成されているため、この保冷箱内に収納する配管や機器が多くなると、保冷箱が大型化するだけでなく、保冷槽を含めた全体の高さが増すことになり、地震や強風等に対する強度も向上させる必要が生じるので、装置コストや建設コストの上昇を招くことになる。
【０００６】
そこで本発明は、装置の安定運転に必要な制御性を損なうことなく、制御器の配置の適正化を図り、保冷箱を小型化することによって保冷槽全体の小型化を図ることができる空気液化分離装置及びその制御方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の空気液化分離装置は、圧縮機で圧縮した原料空気を精製設備に導入する圧縮空気経路と、該精製設備で精製された原料空気を主熱交換器に導入する精製空気経路と、該主熱交換器で露点付近まで冷却された原料空気を精留塔に導入する冷却空気経路と、該精留塔で分離した塔上部の窒素ガスの一部を前記主熱交換器を通して製品として採取する製品窒素ガス採取経路と、前記窒素ガスの残部を凝縮器の凝縮側に導入する窒素ガス経路と、該精留塔で分離した塔下部の酸素富化液化空気を凝縮器の蒸発側に導入する液化空気経路と、該凝縮器での前記酸素富化液化空気との熱交換によって凝縮した液化窒素を前記精留塔に還流液として導入する還流液経路と、該凝縮器での前記窒素ガスとの熱交換によって蒸発した酸素富化空気を前記主熱交換器を通して導出する酸素富化空気導出経路と、該酸素富化空気導出経路に導出した酸素富化空気を前記精製設備の再生ガスとして供給する再生ガス供給経路とを備え、前記主熱交換器、前記精留塔、前記凝縮器及びこれらを接続する低温経路を保冷槽内に収納した空気液化分離装置において、前記酸素富化空気導出経路における前記主熱交換器より下流側の常温側経路に、前記酸素富化空気の流量を測定する流量測定手段を設けるとともに、該流量測定手段の測定流量に基づいて前記液化空気経路を流れる前記酸素富化液化空気の流量を制御する流量制御手段と、該流量制御手段が取り付けられる前記液化空気経路の一部とを、前記保冷槽に連設した保冷箱内に設けたことを特徴としている。
【０００８】
さらに、本発明の空気液化分離装置は、前記流量測定手段が前記再生ガスの流量計を兼ねていること、前記酸素富化空気導出経路に前記酸素富化空気を断熱膨張させて寒冷を発生する膨張タービンを設けるとともに該膨張タービンを前記保冷箱内に設置したことを特徴としている。
【０００９】
また、本発明の空気液化分離方法は、原料空気を圧縮する圧縮工程と、該圧縮工程で圧縮された原料空気を精製する精製工程と、該精製工程で精製された原料空気を露点付近まで冷却する冷却工程と、該冷却工程で冷却された原料空気を低温蒸留して窒素ガスと酸素富化液化空気とに分離する精留工程と、前記窒素ガスの一部を製品として採取する製品窒素ガス採取工程と、前記酸素富化液化空気と前記窒素ガスとを熱交換させて前記酸素富化液化空気を蒸発させるとともに前記窒素ガスを凝縮させて前記精留工程の還流液とする凝縮工程と、該凝縮工程で蒸発した酸素富化空気を前記冷却工程の冷却源として使用し、前記原料空気との熱交換により常温に加温する加温工程とを有する空気液化分離方法において、前記加温工程を経た酸素富化空気の流量を測定し、該測定した酸素富化空気の流量に基づいて前記凝縮工程に供給する前記酸素富化液化空気の流量を制御することを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１形態例を示す空気液化分離装置の系統図である。この空気液化分離装置は、単精留塔１１を用いて空気を低温蒸留することにより、製品として窒素ガスを採取するものであって、装置の運転に必要な寒冷を外部からの液化窒素の注入によって得るようにしている。
【００１１】
以下、窒素ガスを製造する手順に従ってこの空気液化分離装置の説明を行う。まず、原料空気は、原料空気圧縮機１２での圧縮工程によって所定圧力に圧縮された後、圧縮空気経路５１を通って精製設備１３に導入され、水分や二酸化炭素等の不純物を除去する精製工程が行われる。この精製設備１３は、２器の吸着器１４ａ、１４ｂを備えており、各配管の所定位置に設けられた自動弁（図示せず）を、あらかじめ設定された順序で開閉して両吸着器１４ａ、１４ｂを精製工程と再生工程とに順次切り換えることにより、原料空気の精製と吸着剤の再生とを連続的に行うように形成されている。
【００１２】
精製された原料空気は、精製空気経路５２を通って保冷槽１５内に設けられた主熱交換器１６に導入され、製品窒素ガス及び酸素富化空気と熱交換を行う冷却工程により露点付近まで冷却される。冷却された原料空気は、冷却空気経路５３を通って単精留塔１１の下部に導入される。単精留塔１１では、精留工程によって原料空気が低温蒸留され、塔上部の窒素ガスと、塔下部の酸素富化液化空気とに分離する。
【００１３】
塔上部の窒素ガスは、製品窒素ガス採取経路５５と窒素ガス経路５６とに抜き出され、製品窒素ガス採取経路５５に分岐した窒素ガスは、前記主熱交換器１６で原料空気と熱交換を行って常温となり、保冷槽１５を出て製品窒素ガスＰＧＮとして採取される（製品窒素ガス採取工程）。窒素ガス経路５６に分岐した窒素ガスは、凝縮器１７の凝縮側に導入されて凝縮工程が行われ、酸素富化液化空気と熱交換することにより液化して液化窒素となり、還流液経路５７を通って単精留塔１１に導入され、単精留塔１１の還流液となる。
【００１４】
単精留塔１１の下部に分離した酸素富化液化空気は、液化空気経路５８に抜き出されて前記凝縮器１７の蒸発側に導入される。この液化空気経路５８は、その一部５８ａが前記保冷槽１５の下部に連設した保冷箱１８に引き出されており、この部分の配管に酸素富化液化空気の流量を調節するための減圧弁を兼ねる流量制御手段（流量制御弁）１９が設けられている。液化空気経路５８から凝縮器１７に導入された酸素富化液化空気は、前記窒素ガスを液化する凝縮工程の冷却源となり、窒素ガスと熱交換を行うことによって昇温気化し、酸素富化空気となって酸素富化空気導出経路５９に抜き出される。
【００１５】
酸素富化空気導出経路５９の酸素富化空気は、主熱交換器１６に導入されて加温工程が行われ、原料空気と熱交換を行って常温となった後、保冷槽１５から出て再生ガス供給経路６０に導かれ、前記精製設備１３に再生ガスとして供給される。再生ガス供給経路６０には、この経路６０内を流れる酸素富化空気の流量を測定するための流量測定手段（流量計）２１と、吸着器１４ａ、１４ｂの吸着剤を加熱再生する際に再生ガスを加熱するためのヒーター２２と、再生ガスの圧力を一定に保つための圧力計２３及びこの圧力計２３の指示によって開閉する放出弁２４とが設けられている。さらに、装置起動時等に再生ガスが不足するときに、前記精製空気経路５２を流れる精製原料空気の一部を再生ガス供給経路６０に導入し、再生ガスとして使用するためのバイパス経路６１及びバイパス弁２５が設けられている。
【００１６】
また、装置の運転に必要な寒冷は、保冷槽１５の外部に設置した液化窒素貯槽２６から寒冷供給経路６２を通して単精留塔１１に液化窒素を注入することによって得るようにしている。なお、寒冷用の液化窒素は、単精留塔１１の底部に溜まる酸素富化液化空気の液面が一定になるように調節されて導入される。
【００１７】
このように、単精留塔１１、主熱交換器１６、凝縮器１７や、これらを接続する低温経路を保冷槽１５内に収納した空気液化分離装置において、前記液化空気経路５８に設けた流量制御弁１９の制御は、前記酸素富化空気導出経路５９における主熱交換器１６より下流側の常温側経路、すなわち、再生ガス供給経路６０に設けた流量計２１の流量測定値に基づいて行われ、液化空気経路５８を流れる酸素富化液化空気が一定流量となるように調節されている。すなわち、液化空気経路５８を流れる酸素富化液化空気は、凝縮器１７で全量が気化して酸素富化空気となり、この酸素富化空気の全量が酸素富化空気導出経路５９から再生ガス供給経路６０に流れるので、再生ガス供給経路６０を流れる再生ガス（酸素富化空気）量が一定流量となるように流量制御弁１９を制御することにより、従来に比べて応答性の面では僅かに劣るものの、単精留塔１１の運転状態を乱すことの無い範囲で従来と同等の制御が可能であり、液化空気経路５８を流れる酸素富化液化空気の流量を略一定に保つことができる。
【００１８】
このように、酸素富化液化空気の流量制御を、常温となった酸素富化空気の流量で制御することにより、制御用の流量計２１を保冷箱１８内に収納する必要がなくなるので保冷箱１８の小型化が図れる。例えば、流量計２１の設置にあたっては、日本工業規格  ＪＩＳ  Ｚ  ８７６２により、絞り機構の上流及び下流には規定の直管長を設けるように規定されているため、流量計２１を設置する配管の口径が２５ｍｍの場合、流量計２１の前後に、口径の約２０倍の長さの５００ｍｍの直管部分を設けなければならないが、流量計２１を常温側の再生ガス供給経路６０に設置することにより、この直管部分や流量計２１の設置スペースを保冷箱１８に確保する必要がなくなる。また、保冷箱自体が従来からできるだけ小さく作られているため、流量計を保冷箱内に設置する際には、流量計導管、発信器、オリフィス等の設置工事を狭い保冷箱内で行わなければならず、作業性が悪かったが、流量計２１を常温部分に設置することにより、これらの設置工事も容易に行うことができる。さらに、低温流体用の流量計を使用せずに汎用の流量計を使用できるので、流量計のコストも削減できる。
【００１９】
また、流量制御弁１９を制御する流量計２１を酸素富化空気導出経路５９から連続する再生ガス供給経路６０に設けたことにより、従来は別々に設けていた酸素富化液化空気用流量計と再生ガス用流量計とを、この流量計２１によって兼用することができ、装置コストや管理コストの削減も図れる。
【００２０】
図２は本発明の第２形態例を示す空気分離装置の系統図である。なお、前記第１形態例に示した空気液化分離装置と同一の構成要素には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００２１】
本形態例は、装置の運転に必要な寒冷を、酸素富化空気導出経路５９に設置した膨張タービン３１により得るようにしている。この膨張タービン３１は、高速で回転する機器であり、軸受等の保守点検を行う必要があるため、前記凝縮器１７で気化した酸素富化空気が流れる酸素富化空気導出経路５９の一部５９ａを保冷槽１５から保冷箱１８内に引き出し、この部分の配管に膨張タービン３１を設けている。酸素富化空気導出経路５９を流れる酸素富化空気は、主熱交換器１６で中間温度まで昇温してから保冷箱１８内の経路を通って膨張タービン３１に導入され、断熱膨張して寒冷を発生させた後、再び保冷槽１５内に戻って主熱交換器１６に導入され、原料空気の冷却源となる。
【００２２】
寒冷発生用の膨張タービン３１を設置する場合は、タービン本体だけでなく、その周辺機器、例えば温度計や圧力計も保冷箱１８内設置する必要があるが、前記流量計２１を外部に設置したことにより、膨張タービン３１を設置した場合でも、保冷箱１８が大型化することを最小限に抑えることができる。また、保冷箱１８内に流量計２１及びその周辺の配管や機器がないので、従来に比べて膨張タービン３１やその周辺機器を含む配管の自由度が向上するので、保冷箱１８内へのこれらの設置工事も容易となり、保守点検作業も容易に行うことができる。
【００２３】
なお、前記流量計２１、すなわち、酸素富化空気の流量を測定する流量測定手段は、酸素富化空気導出経路５９における主熱交換器１６より下流側の常温側経路で、酸素富化空気の全量が流れる部分に設置すればよく、再生ガス供給経路６０と別の経路とが分岐している場合には、分岐部よりも上流側に設ければよい。また、製品として液化窒素を採取することもできる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、弁や膨張タービン等を収納する保冷箱の小型化を図ることができるので、精留塔等を収納する保冷槽を含めた装置全体の小型化が図れ、装置コストや建設コストの削減が図れるとともに、設置工事や保守点検作業の容易化も図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１形態例を示す空気液化分離装置の系統図である。
【図２】  本発明の第２形態例を示す空気液化分離装置の系統図である。
【符号の説明】
１１…単精留塔、１２…原料空気圧縮機、１３…精製設備、１４ａ、１４ｂ…吸着器、１５…保冷槽、１６…主熱交換器、１７…凝縮器、１８…保冷箱、１９…流量制御弁、２１…流量計、２２…ヒーター、２３…圧力計、２４…放出弁、２５…バイパス弁、２６…液化窒素貯槽、３１…膨張タービン、５１…圧縮空気経路、５２…精製空気経路、５３…冷却空気経路、５５…製品窒素ガス採取経路、５６…窒素ガス経路、５７…還流液経路、５８…液化空気経路、５９…酸素富化空気導出経路、６０…再生ガス供給経路、６１…バイパス経路、６２…寒冷供給経路
【図１】
0003654883.tif 000002
【図２】
0003654883.tif 000003