(57)【要約】【課題】空気のような酸素含有ガスを液化する際に、製品となる液化ガス中の酸素濃度を低くして安全性の高い酸素含有液化ガス、例えば酸素濃度が低い液体空気を製造することができるガス液化装置及び方法を提供する。【解決手段】原料ガスを昇圧する圧縮機１１と、昇圧後の原料ガスを冷却する熱交換器１３と、冷却されて一部が液化した原料ガスを液相と気相とに分離する気液分離器１４と、分離後に気液分離器から導出した液相を減圧する減圧弁１５と、減圧後の液相と気液分離器から導出した前記気相とを熱交換させることにより気相を液化して製品液化ガスを発生させるとともに前記減圧した液相を気化させる凝縮器１６とを備えている。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素含有ガスを原料ガスとして液化ガスを製造するための装置であって、前記原料ガスを昇圧する圧縮機と、昇圧後の原料ガスを冷却する熱交換器と、冷却されて少なくとも一部が液化した原料ガスを液相と気相とに分離する気液分離器と、分離後に気液分離器から導出した液相を減圧する減圧弁と、減圧後の液相と気液分離器から導出した前記気相とを熱交換させることにより気相を液化して製品液化ガスを発生させるとともに前記減圧した液相を気化させる凝縮器とを備えていることを特徴とするガス液化装置。
【請求項２】
前記原料ガスが空気であり、前記液化ガスが液体空気であることを特徴とする請求項１記載のガス液化装置。
【請求項３】
酸素含有原料ガスを圧縮する工程と、圧縮した原料ガスを冷却して一部を液化する工程と、一部が液化した原料ガスを気液分離する工程と、分離した液相を減圧する工程と、分離したガス相と前記減圧した液相とを熱交換させることにより前記ガス相を液化して製品液化ガスを発生させるとともに前記減圧した液相を気化させる工程とを含むことを特徴とするガス液化方法。
【請求項４】
前記原料ガスが空気であり、前記液化ガスが液体空気であることを特徴とする請求項３記載のガス液化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス液化装置及び方法に関し、酸素を含有するガス、特に、空気（大気）を原料として液体空気を製造するのに適したガス液化装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液化ガス、特に液化窒素は、希釈ガスやパージガスのバックアップ用ガス、各種物品の冷却用や凍結用の低温ガスとして広く用いられている。しかし、液化窒素は、精留塔を用いた空気液化分離装置で製造されており、設備コストが嵩むだけでなく、様々な用途に用いられるため、純度管理も厳密に行う必要がある。
【０００３】
一方、液化ガスを冷却用や凍結用として用いる場合は、その組成はほとんど問題にならない場合が多く、純度管理を行った液化窒素を用いる必要はなく、複雑な構造の精留塔を使用しない単純な構成のガス液化装置で空気（大気）を液化した液体空気を用いることが可能である。一般的なガス液化装置で液体空気を製造する場合、通常は、圧縮、精製、冷却した原料空気を液化ノズルから液体タンク内に噴出させて膨張させることにより原料空気の一部を液化し、液体タンク内に発生した液相を液体空気として使用するとともに、液体タンク内の気相を原料空気の冷却用に使用している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−２６４６９号公報（段落番号００１８、第３図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、空気を液化する場合、空気成分である酸素や窒素の揮発度の違いにより、液体タンクにおける液相と気相とで酸素濃度が異なり、液相（液体空気）における酸素濃度は３０％近くまで上昇してしまう。したがって、大気に比べて酸素濃度の高い液体空気となるため、例えば、これを圧縮する際には、酸素圧縮仕様の圧縮機を用いなければならないなど、酸素濃度に応じた安全性を考慮する必要がある。
【０００６】
そこで本発明は、空気のような酸素含有ガスを液化する際に、製品となる液化ガス中の酸素濃度を低くして安全性の高い酸素含有液化ガス、例えば酸素濃度が低い液体空気を製造することができるガス液化装置及び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、本発明のガス液化装置は、酸素含有ガスを原料ガスとして液化ガスを製造するための装置であって、前記原料ガスを昇圧する圧縮機と、昇圧後の原料ガスを冷却する熱交換器と、冷却されて少なくとも一部が液化した原料ガスを液相と気相とに分離する気液分離器と、分離後に気液分離器から導出した液相を減圧する減圧弁と、減圧後の液相と気液分離器から導出した前記気相とを熱交換させることにより気相を液化して製品液化ガスを発生させるとともに前記減圧した液相を気化させる凝縮器とを備えていることを特徴としている。
【０００８】
また、本発明のガス液化方法は、酸素含有原料ガスを圧縮する工程と、圧縮した原料ガスを冷却して一部を液化する工程と、一部が液化した原料ガスを気液分離する工程と、分離した液相を減圧する工程と、分離したガス相と前記減圧した液相とを熱交換させることにより前記ガス相を液化して製品液化ガスを発生させるとともに前記減圧した液相を気化させる工程とを含むことを特徴としている。
【０００９】
さらに、本発明においては、前記原料ガスが空気（大気）であり、前記液化ガスが液体空気であることを特徴としている。なお、工場の各種設備や装置から排出された酸素含有排ガス、空気分離装置からの酸素含有排ガスを原料ガスとして用いることもできる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明のガス液化装置の一形態例を示す系統図である。このガス液化装置は、酸素を含有した原料ガスを昇圧する圧縮機１１と、低温での閉塞が問題となる水分や二酸化炭素のような不純物を除去するための精製器１２と、昇圧後の原料ガスを冷却する熱交換器１３と、冷却されることによって一部が液化した原料ガスを気液分離する気液分離器１４と、気液分離器１４から導出した液相を減圧する減圧弁１５と、減圧後の液相と気液分離器１４から導出した気相とを熱交換させる凝縮器１６と、原料ガスの一部を断熱膨張させる膨張タービン１７と、これらを接続する経路とで形成されている。
【００１１】
まず、圧縮機１１で、例えば約６７０ｋＰａに圧縮された原料ガス、例えば原料空気は、冷却時に固化する水分や二酸化炭素等の不純物を精製器１２で除去された後、経路２１から熱交換器１３に導入されて排ガス等の低温ガスと熱交換を行い、その圧力に応じた液化点、例えば約−１７３℃まで冷却され、これによって原料空気の一部が液化した状態となる。
【００１２】
気液混合状態となった原料空気は、経路２２を通って気液分離器１４に導入され、気相Ｇと液相Ｌとに分離する。ここで、原料空気の主要組成を、窒素７８．１１％、酸素２０．９６％、アルゴン０．９３％としたとき、気液分離器１４内の気相Ｇの組成は、窒素８４．９１％、酸素１４．４０％、アルゴン０．６９％となり、液相Ｌの組成は、窒素７０．０４％、酸素２８．７２％、アルゴン１．２４％となる。なお、気相Ｇと液相Ｌとの生成割合は、原料空気の圧力及び冷却温度により異なる。
【００１３】
酸素濃度が高い液相Ｌは、気液分離器１４の下部から経路２３に導出され、減圧弁１５で大気圧付近まで減圧した後、経路２４を通って凝縮器１６の蒸発経路１６ａに冷却源として導入される。また、酸素濃度の低い気相Ｇは、気液分離器１４の上部から経路２５に導出され、経路２６を通って凝縮器１６の凝縮経路１６ｂに導入される。
【００１４】
この凝縮器１６において、蒸発経路１６ａを流れる減圧した後の液相と、凝縮経路１６ｂを流れる気相とが熱交換を行うことにより、気相が液化して液化ガス（製品液体空気ＬＡ）となり、凝縮器１６から経路２７を通って使用先あるいは貯蔵先に送られる。したがって、得られた製品液体空気ＬＡの酸素濃度は、気液分離器１４における気相Ｇの酸素濃度となり、この場合の酸素濃度は１４．４０％となる。
【００１５】
一方、前記減圧後の液相は、蒸発経路１６ａで気化することによって低温低圧の排ガスＷＧとなり、経路２８、２９を通って前記熱交換器１３に導入され、原料空気を冷却することによって昇温し、経路３０から系外に放出される。この排ガスＷＧの酸素濃度は、気液分離器１４における液相Ｌの酸素濃度と同じ２８．７２％であるが、そのまま大気に放出する分には全く問題はない。
【００１６】
また、前記経路２１から熱交換器１３に導入された前記原料空気の一部は、中温部で経路３１に分岐し、前記膨張タービン１７に導入されて大気圧付近まで断熱膨張することにより、装置の運転に必要な寒冷を発生する。膨張後の低温空気は、経路３２を通って前記経路２８からの排ガスＷＧと合流し、熱交換器１３を通って経路３０から系外に放出される。
【００１７】
さらに、製品液体空気製造量の変動や寒冷バランスの調整を行うため、例えば、前記凝縮器１６から製品液体空気ＬＡを取出す経路２７には、製品液体空気使用量の増減に対応させて液体空気の一部を気液分離器１４に戻すための経路４０を設けることもできる。
【００１８】
また、前記気液分離器１４から気相Ｇを導出する経路２５には、気相Ｇの一部を分岐する経路４１が設けられている。この経路４１に分岐した気相Ｇは、そのまま熱交換器１３に導入して原料空気を冷却した後、経路４２から高圧の排ガスＷＨとして放出してもよく、図１に破線で示す経路４２を設けてタービン流体の一部として寒冷発生用に使用することもできる。
【００１９】
このようにして原料空気（原料ガス）に比べて酸素濃度の低い液体空気（液化ガス）を製造することができるため、大気よりも酸素濃度が高いガスを原料ガスとして使用しても、大気組成と同程度以下の酸素濃度を有する液化ガス（液体空気）を製造することが可能である。
【００２０】
例えば、窒素製造用の空気分離装置からは、酸素濃度が高い排ガス、例えば酸素濃度４０％程度の排ガスが排出されるが、この排ガスを原料ガスとして用いた場合でも、酸素圧縮仕様の圧縮機を用いるなどの考慮を必要としない酸素濃度、一般的には２５％以下の酸素濃度の液化ガス、特に酸素濃度が約２１％以下の安全な液体空気を得ることができる。
【００２１】
このような空気分離装置の排ガスを原料ガスとして用いる場合、通常は、空気分離装置が備えている吸着器等で水分や二酸化炭素等の不純物が除去されているため、原料ガス中の不純物を再度除去する必要がなくなるので、前述の精製器１２は省略することが可能である。また、原料ガスとして使用する排ガスの圧力が十分に高い場合、例えば、空気分離装置における運転圧力が高くて排ガスの圧力も高い場合は、前述の圧縮機１１を省略することも可能である。さらに、系外からの寒冷源を利用できるときは、前述の膨張タービン１７を省略することもできる。
【００２２】
このようなガス液化装置で、前述のような液体空気を製造する場合、装置構成が簡単で、安全な液体空気が得られるため、冷却や凍結を行う設備に隣接配置することが可能となり、運搬や貯蔵に対する考慮も軽減できる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、酸素濃度の低い安全な液体空気を簡単な機器構成の装置で安価に発生させることができる。したがって、従来は高価な液化窒素を使用していた冷却設備や凍結設備における運転コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガス液化装置の一形態例を示す系統図である。
【符号の説明】
１１…圧縮機、１２…精製器、１３…熱交換器、１４…気液分離器、１５…減圧弁、１６…凝縮器、１７…膨張タービン、ＬＡ…製品液体空気
【図１】
2004132602.tif 000003