(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮されて昇温した原料空気を冷却する空冷又は水冷のアフタークーラーと、該アフタークーラーで冷却された原料空気中に含まれる不純物である水分、二酸化炭素を吸着除去する吸着器と、該吸着器で精製された原料空気を冷却する空冷又は水冷の冷却器と、該冷却器で冷却された原料空気の深冷液化分離を行う空気分離部とを備えるとともに、前記冷却器の上流と下流とを接続する冷却器バイパス経路と、前記吸着器を導出した精製原料空気の流れを冷却器側とバイパス経路側とに切り換える流路切換手段とを備えていることを特徴とする空気液化分離装置。
【請求項２】
原料空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮されて昇温した原料空気を冷却する空冷又は水冷のアフタークーラーと、該アフタークーラーで冷却された原料空気中に含まれる不純物である水分、二酸化炭素を吸着除去する吸着器と、該吸着器で精製された原料空気を冷却する空冷又は水冷の冷却器と、該冷却器で冷却された原料空気の深冷液化分離を行う空気分離部とを備えた空気液化分離装置における前記空気分離部を加熱する方法であって、通常の空気分離運転時には、前記吸着器を導出した精製原料空気を前記冷却器で冷却してから前記空気分離部に導入し、前記空気分離部を加熱する際には、前記吸着器を導出した精製原料空気を前記冷却器で冷却せずに前記空気分離部に導入することを特徴とする空気液化分離装置の加熱方法。
【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その加熱方法に関し、詳しくは、極低温で運転される空気分離部の機器や配管を効率よく加熱することができる空気液化分離装置及びその加熱方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空気液化分離装置では、コールドボックス内に設置されて−１７０℃以下の極低温で運転される空気分離部の各構成機器、例えば精留塔や凝縮器、配管等の内部に水分や二酸化炭素等の高沸点不純物が固化して僅かずつ蓄積し、流路を閉塞するおそれがある。このため、装置起動前に空気分離部を加熱して高沸点不純物を系内から排出する操作を行っている。また、コールドボックス内の機器を点検するために装置を停止させる際にも、コールドボックス内を常温に戻すために空気分離部を加熱するようにしている。通常、空気分離部の加熱操作は、６０〜８０℃に加熱した乾燥空気を空気分離部に導入することによって行われている。
【０００３】
図２は、従来の空気液化分離装置の一例を示す系統図であって、この空気液化分離装置は、コールドボックス１１内へ原料空気を導入する入口経路１２に、乾燥空気を加熱するための加熱器１３を備えた空気加熱経路１４を設けている。
【０００４】
通常の空気分離運転時には、圧縮機１５で所定圧力に圧縮した原料空気を、空冷又は水冷のアフタークーラー１６で４０℃程度に冷却し、さらに、冷凍機１７を備えた予冷器１８で１０℃程度にまで冷却した後、該原料空気中に含まれる水分、二酸化炭素等の不純物を吸着除去する吸着器１９に導入して精製し、精製後の原料空気を前記入口経路１２の弁２０を通してコールドボックス１１内に導入している。このとき、空気加熱経路１４の弁２１ａ，２１ｂは閉じており、加熱器１３は停止している。
【０００５】
入口経路１２からコールドボックス１１内に導入された原料空気は、該コールドボックス内に設けられている熱交換器、精留塔、凝縮器等を有する空気分離部で深冷液化分離され、製品として酸素や窒素が経路２２，２３から採取されるとともに、一部が排ガスとして経路２４に抜き出され、吸着器１９の再生用ガスに用いられる。
【０００６】
吸着器１９は、複数の吸着筒１９ａ、１９ｂを切換使用するものであり、一方の吸着筒１９ａが不純物除去工程（吸着工程）を行っているとき、予冷器１８からの原料空気は、入口弁２５ａを通って吸着筒１９ａに流入し、出口弁２６ａから入口経路１２に流出する。この間、他方の吸着筒１９ｂは再生工程を行っており、排気弁２７ｂから筒内ガスを排出する操作と、経路２４の排ガスを弁２８から再生加熱器２９に導入して加熱した後、再生弁３０ｂから吸着筒１９ｂ内を通して排気弁２７ｂから排出し、加熱ガスによって吸着剤を加熱再生する操作と、弁３１から非加熱状態の排ガスを再生弁３０ｂ，吸着筒１９ｂ，排気弁２７ｂに通して吸着剤を冷却する操作とが行われる。吸着筒１９ａ、１９ｂの切り換えは、入口弁２５ａ，２５ｂ、出口弁２６ａ，２６ｂ、排気弁２７ａ，２７ｂ、再生弁３０ａ，３０ｂの開閉操作によって行われる。
【０００７】
このような空気液化分離装置において、装置起動前あるいは装置停止後の空気分離部の加熱操作は、入口経路１２の弁２０を閉じて空気加熱経路１４の弁２１ａ，２１ｂを開くとともに、加熱器１３を加熱状態とし、吸着器１９から導出した精製原料空気（乾燥空気）を所定温度、例えば６０〜８０℃に加熱した後、コールドボックス１１に導入するようにしている。また、この加熱操作時における吸着器再生用のガスは、吸着器１９から導出した精製ガスの一部を弁３２から前記排ガスの経路２４に分岐することによって得ている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述のような従来の空気液化分離装置では、空気分離部の加熱操作において、コールドボックス１１に導入する加熱乾燥空気を得るための加熱器１３に、大量の電力等のエネルギーを必要としている。したがって、加熱器１３の設置コストだけでなく、エネルギー消費量も多大なものとなっていた。
【０００９】
そこで本発明は、乾燥空気加熱用の加熱器を省略して設備コストの低減とエネルギー消費量の削減とを図れる空気液化分離装置及びその加熱方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【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、原料空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮されて昇温した原料空気を冷却する空冷又は水冷のアフタークーラーと、該アフタークーラーで冷却された原料空気中に含まれる水分、二酸化炭素等の不純物を吸着除去する吸着器と、該吸着器で精製された原料空気を冷却する空冷又は水冷の冷却器と、該冷却器で冷却された原料空気の深冷液化分離を行う空気分離部とを備えるとともに、前記冷却器の上流と下流とを接続する冷却器バイパス経路と、前記吸着器を導出した精製原料空気の流れを冷却器側とバイパス経路側とに切り換える流路切換手段とを備えていることを特徴としている。
【００１１】
また、本発明の空気液化分離装置の加熱方法は、原料空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮されて昇温した原料空気を冷却する空冷又は水冷のアフタークーラーと、該アフタークーラーで冷却された原料空気中に含まれる水分、二酸化炭素等の不純物を吸着除去する吸着器と、該吸着器で精製された原料空気を冷却する空冷又は水冷の冷却器と、該冷却器で冷却された原料空気の深冷液化分離を行う空気分離部とを備えた空気液化分離装置における前記空気分離部を加熱する方法であって、通常の空気分離運転時には、前記吸着器を導出した精製原料空気を前記冷却器で冷却してから前記空気分離部に導入し、前記空気分離部を加熱する際には、前記吸着器を導出した精製原料空気を前記冷却器で冷却せずに前記空気分離部に導入することを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の空気液化分離装置の一形態例を示す系統図である。なお、前記図２に示した従来例の空気液化分離装置の構成要素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。
【００１３】
この空気液化分離装置は、従来の空気液化分離装置に対して、吸着器１９に導入する原料空気を１０℃程度に冷却するための予冷器及び冷凍機を設置せず、空冷又は水冷のアフタークーラー１６で４０℃程度に冷却した原料空気を吸着器１９に導入するように形成するとともに、吸着器１９を導出した精製原料空気をコールドボックス１１に導入する経路１２に、乾燥空気を加熱するための加熱器１３を設置するのに代えて精製原料空気を空冷又は水冷で冷却するための冷却器５１と、該冷却器５１をバイパスする冷却器バイパス経路５２とを設置したものである。
【００１４】
すなわち、本形態例に示す空気液化分離装置において、コールドボックス１１に原料空気又は加熱乾燥空気を導入する経路には、原料空気を圧縮する圧縮機１５と、該圧縮機１５で圧縮されて昇温した原料空気を冷却する空冷又は水冷のアフタークーラー１６と、該アフタークーラー１６で冷却された原料空気中に含まれる水分、二酸化炭素等の不純物を吸着除去する吸着器１９と、該吸着器１９で精製された原料空気を冷却する空冷又は水冷の前記冷却器５１と、該冷却器５１の上流と下流とを接続する前記冷却器バイパス経路５２と、前記吸着器１９を導出した精製原料空気の流れを冷却器５１側とバイパス経路５２側とに切り換える流路切換手段である弁５３，５４とが設けられている。なお、冷却器５１の下流には、精製空気の一部を吸着器再生用ガスに用いるための弁５５が設けられている。
【００１５】
通常の空気分離運転時においては、弁５３が開、弁５４，５５が閉となっており、圧縮機１５で所定圧力に圧縮した原料空気は、空冷又は水冷のアフタークーラー１６で４０℃程度に冷却されて吸着器１９に導入され、該吸着器１９で原料空気中に含まれる水分、二酸化炭素等の不純物が吸着除去された後、前記冷却器５１で空冷又は水冷操作により４０℃程度に冷却されて弁５３を通り、コールドボックス１１内に導入されて深冷液化分離される。
【００１６】
このとき、前記吸着器１９には、従来の原料空気温度（１０℃程度）より高い温度（２５〜４５℃）の原料空気が導入されることになり、空気中の飽和水分量の関係から、該吸着器１９では従来より多量の水分を吸着除去しなければならない。したがって、吸着器１９においては、導入温度が４０℃程度の原料空気中の水分や二酸化炭素を吸着除去できる性能を有するものを選択する必要がある。
【００１７】
このような吸着器１９には、原料空気流れ方向上流側に活性アルミナ、シリカゲル、Ａ型ゼオライト等の水分吸着剤を、下流側にＸ型ゼオライト等の炭酸ガス吸着剤を充填するとともに、原料空気の空塔速度を５〜４０ｃｍ／ｓとした吸着筒を用いることが好ましい。
【００１８】
前記吸着器１９で多量の水分を吸着除去された精製原料空気は、吸着剤の水分吸着熱によって６０℃以上に昇温するが、空気分離運転時にコールドボックス１１に導入される精製原料空気は、前記冷却器５１で４０℃程度に冷却されるため、従来装置と同程度の温度でコールドボックス１１に導入されることになり、コールドボックス１１内の空気分離部は、従来と同じ構成とすることが可能である。
【００１９】
そして、装置起動前又は装置停止後に空気分離部を加熱する際には、前記弁５３を閉、弁５４，５５を開とし、吸着器１９を導出した精製原料空気の４０〜８０％を、冷却器５１で冷却せずに前記冷却器バイパス経路５２を通して高温状態のままコールドボックス１１に導入するとともに、残部の精製原料空気を冷却器５１で冷却してから弁５５を通して吸着器１９の再生用ガスとして使用する。
【００２０】
これにより、コールドボックス１１内には、吸着器１９で６０℃以上に昇温した精製原料空気が加熱乾燥空気として導入されることになり、この加熱乾燥空気により空気分離部が加熱されて系内から高沸点不純物が排出される。したがって、加熱乾燥空気を得るための加熱器１３を設ける必要がなくなり、装置起動前や装置停止後に行う空気分離部の加熱操作を効率よく行うことができる。
【００２１】
なお、吸着器１９の再生用ガスは、弁５５を通って分岐した精製原料空気の一部を使用せずに、コールドボックス１１に導入されて経路２４に抜き出されたガス（加熱乾燥空気）を使用することもできる。また、吸着器１９の吸着工程、再生工程は、前述のような従来と同様の操作で行うことができる。
【００２２】
【実施例】
図１に示す装置構成であって、原料空気５０００Ｎｍ３／ｈから製品窒素１５００Ｎｍ３／ｈと、製品酸素１０００Ｎｍ３／ｈとを採取する空気液化分離装置において、本発明方法により装置起動前の加熱操作を行った。
【００２３】
まず、弁５３を閉、弁５４，５５を開とした状態で圧縮機１５を起動し、５０００Ｎｍ３／ｈの原料空気をゲージ圧で５５０ｋＰａまで加圧して圧送した。この原料空気は、空冷のアフタークーラー１６によって約４０℃まで冷却した後、吸着器１９に導入して水分や二酸化炭素等の高沸点不純物を吸着除去した。
【００２４】
吸着熱により６５℃まで昇温して吸着器１９を導出した精製原料空気は、その５０％の２５００Ｎｍ３／ｈずつに二分し、一方の精製原料空気は、空冷の冷却器５１で４０℃程度に冷却した後、弁５５を通して吸着器１９の再生用ガスとして使用した。
【００２５】
他方の精製原料空気は、冷却器バイパス経路５２の弁５４を通してコールドボックス１１に導入し、空気分離部の加熱操作を行う加熱乾燥空気として使用し、コールドボックス１１内に設置されている各機器中及び配管の加熱操作を行った。これにより、従来の加熱乾燥空気を用いたときと同様の装置起動前の加熱操作を行うことができた。また、吸着器１９の再生も問題なく行うことができた。
【００２６】
その後、弁５３を開、弁５４，５５を閉として精製原料空気の全量を冷却器５１で４０℃程度に冷却し、コールドボックス１１に導入して所定の空気分離運転を行い、製品窒素１５００Ｎｍ３／ｈと、製品酸素１０００Ｎｍ３／ｈとを採取した。このときの吸着器１９の再生用ガスには、コールドボックス１１から経路２４に導出した排ガス２５００Ｎｍ３／ｈを使用した。
【００２７】
空気分離運転を所定時間行った後、装置停止後の加熱操作を行った。まず、製品窒素及び製品酸素の採取を停止し、圧縮機１５を停止した後、コールドボックス１１内に設置されている各機器中及び配管中の液化ガスを放出した。
【００２８】
次いで、圧縮機１５を再起動して５０００Ｎｍ３／ｈの原料空気をゲージ圧で５５０ｋＰａまで加圧して圧送し、吸着器１９で水分や二酸化炭素等の高沸点不純物を吸着除去した後、吸着熱によって６５℃に昇温した精製原料空気の全量を冷却器５１で４０℃程度に冷却してコールドボックス１１に導入した。
【００２９】
コールドボックス１１から経路２４に導出されるガスの温度が−１００℃を超えたときに、弁５３を閉、弁５４を開として精製原料空気を冷却せずに約６５℃でコールドボックス１１に導入し、空気分離部各機器及び配管の加熱操作を行った。これにより、従来の加熱乾燥空気を用いたときと同様の装置停止後の加熱操作を行うことができた。なお、吸着器１９の再生用ガスには、コールドボックス１１から経路２４に導出したガスを使用した。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、装置起動前あるいは装置停止後の加熱操作を行うための加熱乾燥空気を加熱器を使用せずに得ることができるので、設備コストの低減及びエネルギー消費量の削減を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の空気液化分離装置の一形態例を示す系統図である。
【図２】従来の空気液化分離装置の一例を示す系統図である。
【符号の説明】
１１…コールドボックス、１２…入口経路、１５…圧縮機、１６…アフタークーラー、１９…吸着器、２９…再生加熱器、５１…冷却器、５２…冷却器バイパス経路
【図１】
0004580127.tif 000002
【図２】
0004580127.tif 000003