(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から取り入れた原料空気を主熱交換器で液化点付近まで冷却し、精留塔に導入する経路を有する空気液化分離装置において、
原料空気の一部を前記主熱交換器を経由せずに冷却する熱交換器を設け、
前記精留塔内の主凝縮器部から液体酸素をパージ可能、かつ、前記主凝縮器部に液体酸素を供給可能とする第１経路を設け、
前記空気分離装置に寒冷としての液体酸素を供給する寒冷供給部を設けるとともに、前記寒冷供給部から前記熱交換器に液体酸素を供給可能とする第２経路を設け、
前記第１経路と前記第２経路とを接続し、
前記原料空気の一部を前記熱交換器に導き、冷却する第３経路を設け、
前記熱交換器で冷却された前記原料空気の一部を、前記精留塔に導入する第４経路を設け、
前記熱交換器において液体酸素の気化した酸素ガスを取り出す第５経路とを設けたことを特徴とする空気液化分離装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気を液化精留して酸素ガスを製造する空気液化分離装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の空気液化分離装置としては、図２に示すように、外部から取り入れた原料空気の圧縮を行う圧縮機１、圧縮された原料空気を冷却する冷却器３、二酸化炭素及び水等の不純物の吸着除去を行う除炭乾燥器５を設けて、原料空気を順に導き、その圧縮、冷却、除炭された原料空気を、主熱交換器７において、廃ガス等を利用して液化点付近まで冷却し、冷却された原料空気を導いて精留を行う精留塔を設けたものが知られている。このような場合、前記精留塔は、前記原料空気の予備精留を行う高圧精留塔１１及び空気の最終分離を行う低圧精留塔１２、高圧精留塔１１と低圧精留塔１２の間にあって低圧精留塔１２に対してはリボイラー、高圧精留塔１１に対してはコンデンサーの働きを行う主凝縮器部１９から構成されたものが利用される。また、前記精留塔に対する寒冷は、寒冷供給部１７を設けて、液体酸素を前記主凝縮器部１９に供給する構成としていた。
【０００３】
このような空気液化分離装置では、通常、前記寒冷供給部１７から液体酸素を前記主凝縮器部１９に直接導入して寒冷として用いる構成としていた。供給された液体酸素は、前記主凝縮器部１９との熱交換を行うとともに、製品酸素の原料として用いられる。
ここで、原料空気に含有される微量の炭化水素等の可燃性物質は、前記除炭乾燥器５である程度除去されるものの、除去しきられなかったものは前記精留塔９内部に導入されてしまう。すると、蒸気圧平衡等との関係から、前記低圧精留塔下部には、液体酸素と共に炭化水素等の可燃性物質が次第に濃縮されることになる。このような構成は、コスト面等から小型の空気液化分離装置によく用いられるが、濃縮される液体酸素中での前記可燃性物質の爆発等を回避するためにも、前記可燃性物質が濃縮される前記主凝縮器部１９の保安管理は極めて重大である。そのため、前記主凝縮器部１９の可燃性物質量が常に既定値以下になるように、前記主凝縮器部１９から液体酸素を少量パージする処置をとる必要があり、可燃性物質を含む液体酸素は、パージされた後、廃棄されていた。
【０００４】
またさらに、パージされるガスをそのまま廃棄する場合には、その冷熱も廃棄することになって不経済である。そこで、前記空気液化分離装置に熱交換器を設け、精留塔９内にある前記主凝縮器部１９からパージされる液体酸素を熱交換器１６に導く経路と、前記熱交換器１６により気化した酸素ガスを取り出す経路と、原料空気を前記熱交換器１６に導き、熱交換可能にする経路と、前記熱交換器１６において冷却された原料空気を精留塔９に導く経路を設け、前記主凝縮器部１９からパージされる液体酸素の保有する冷熱を回収可能な空気液化分離装置が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、そのような空気液化分離装置でも、寒冷供給部１７から寒冷として供給する液体酸素は、前記寒冷供給部１７から、直接、前記主凝縮器部１９に導入されていた。そのため、前記主凝縮器部１９の可燃性物量の増加を防止するために液体酸素をパージさせたとしても、前記主凝縮器部１９には、空気液化分離装置に寒冷を供給する寒冷供給部１７から寒冷として液体酸素が供給される。前記寒冷供給部１７中の液体酸素には微量ながらも不純物としての可燃性物質が含有されているので、前記主凝縮器部１９における可燃性物質量の増加を防止するためには、前記主凝縮器部１９からパージする液体酸素に留意するのみならず、前記寒冷供給部１７からの寒冷としての液体酸素中の可燃性物質にも留意する必要があった。つまり、前記主凝縮器部１９における可燃性物質量の増加を防止するためには、前記寒冷供給部１７からの寒冷としての液体酸素中の可燃性物質の双方を勘案して、前記低圧精留塔１２下部から液体酸素をパージさせる必要があり、改善の余地があった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、前記主凝縮器部１９における可燃性物質の蓄積を、前記寒冷供給部１７からの液体酸素中の可燃性物質含有量に影響されることなく抑えることができる空気液化分離装置を提供することにある。即ち、前記寒冷供給部１７からの液体酸素中の可燃性物質含有量に影響されることなく、前記主凝縮器部１９からの液体酸素のパージ量を設定できる空気液化分離装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明空気液化分離装置の構成は、外部から取り入れた原料空気を主熱交換器で液化点付近まで冷却し、精留塔に導入する経路を有する空気液化分離装置において、原料空気の一部を前記主熱交換器を経由せずに冷却する熱交換器を設け、前記精留塔内の主凝縮器部から液体酸素をパージ可能、かつ、前記主凝縮器部に液体酸素を供給可能とする第１経路を設け、前記空気分離装置に寒冷としての液体酸素を供給する寒冷供給部を設けるとともに、前記寒冷供給部から前記熱交換器に液体酸素を供給可能とする第２経路を設け、前記第１経路と前記第２経路とを接続し、前記原料空気の一部を前記熱交換器に導き、冷却する第３経路を設け、前記熱交換器で冷却された前記原料空気の一部を、前記精留塔に導入する第４経路を設け、前記熱交換器において液体酸素の気化した酸素ガスを取り出す第５経路とを設けたことを特徴とする。
【０００８】
[作用]
本発明の空気液化分離装置は、原料空気の一部を前記主熱交換器を経由させずに冷却する熱交換器を設けるとともに、原料空気を前記熱交換器に導き、前記液体酸素と熱交換可能にする第３経路及び前記熱交換器で冷却された前記原料空気の一部を、前記精留塔に導入する第４経路を設けてあるから、原料空気の主な部分を主熱交換器を経由して冷却した後、精留塔に導くとともに、原料空気の一部を、前記主熱交換器とは別途、前記熱交換器において冷却し、前記精留塔に導くことができる。
ここで、前記主凝縮器部から液体酸素をパージ可能とする第１経路を設けるとともに、前記空気液化分離装置に寒冷としての液体酸素を供給する寒冷供給部を設け、前記寒冷供給部から前記熱交換器に液体酸素を供給可能とする第２経路を設けたから、前記主凝縮器部に可燃性物質が貯留されるのを防止することができるとともに、前記パージされる液体酸素及び寒冷供給部からの液体酸素によって前記原料空気の一部を冷却させることができる。そして、前記熱交換器において液体酸素の気化した酸素ガスを取り出す第５経路とを設けたことによって、前記両液体酸素が熱交換の際に気化した酸素ガスを取り出すことができる。
【０００９】
即ち、本発明の空気液化分離装置は、前記熱交換器にて、前記原料空気の一部は、前記精留塔の主凝縮器部及び前記寒冷供給部からの液体酸素により冷却され寒冷を得て高圧精留塔下部に供給され、一方、前記主凝縮器部及び前記寒冷供給部からの液体酸素は、前記原料空気の一部により強制的に気化され酸素ガスとして回収される。だから、寒冷供給部から液体酸素を主凝縮器部に供給する従来装置の如く、前記寒冷供給部から供給される液体酸素中の可燃性物質の含有量に注意を払うことなく、原料空気中の可燃性物質含有量のみに留意し、主凝縮器部からの液体酸素パージ量を決定し、前記主凝縮器部に貯留される可燃性物質の濃度を基準値以下に抑えることができる。
【００１０】
ここで、空気液化分離装置に必要な冷熱は、通常、寒冷を供給することでまかなわれるが、寒冷供給部からの液体酸素は、原料空気の一部と熱交換を行う熱交換器に導かれる一方、その熱交換器において熱交換された原料空気が精留塔に導かれるから、前記寒冷供給部からの液体酸素は前記精留塔へは直接導入されず、前記液体酸素の有する冷熱のみが前記原料空気の一部を介して前記精留塔へ導入されることになる。したがって、前記液体酸素は、たとえ可燃性物質を含有していたとしても、冷熱を前記精留塔へ供給する機能を果たしながら、可燃性物質を前記精留塔に導入することなく、酸素ガスとして取り出せることになる。なお、このようにして取り出された酸素ガスは、通常、製品として用いられる。また、前記主凝縮器部からパージされた液体酸素についても、前記熱交換器に導入されるとともに、冷熱を前記原料空気の一部に与えた後、酸素ガスとして取り出されるから、冷熱を廃棄せずに回収して、有効利用することができる。
【００１１】
したがって、寒冷供給部からの液体酸素を、原料空気の一部を冷却することに利用し、その冷却された原料空気により精留塔に対して供給されるべき寒冷をまかなうから、エネルギーの無駄がなく、かつ、前記精留塔内での可燃性物質の貯留も防げ、さらに、その可燃性物質をパージするのに取り出された液体酸素の冷熱も同時に有効利用することができるようになった。
【００１２】
また、前記第１経路と前記第２経路を設け、前記第１経路と前記第２経路とを接続してあるから、空気液化分離装置の運転起動時においては、前記寒冷供給部からの寒冷としての液体酸素を、前記第２経路を経由して前記第１経路から液体酸素を前記主凝縮器部に供給することで、直接的に前記精留塔に冷熱を供給できる。そのため、空気液化分離装置の起動を円滑に行わせることができ、迅速に定常的な運転が開始できるようになる。
また、定常運転時においては、前記寒冷供給部からの寒冷としての液体酸素を、前記寒冷供給部から前記第２経路を経由して前記熱交換器に導入すると同時に、前記主凝縮器部からの液体酸素を、前記第１経路を経由して、前記熱交換器にパージして、原料空気の一部を介して冷熱を精留塔に供給することができる。そのため、前記寒冷供給部の液体酸素中の不純物としての可燃性物質を主凝縮器部に導入することなく、精留塔への冷熱供給を円滑に行えるようになる。
【００１３】
【発明の効果】
その結果、低圧精留塔下部の主凝縮器部近傍に可燃性物質が蓄積するのを、より確実に抑えることができるようになった。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の空気液化分離装置を図面にしたがって説明する。
図１に示すように、本発明の空気液化分離装置は、外部から取り入れた原料空気を主熱交換器７で液化点付近まで冷却し、精留塔９に導入する経路を有し、外部から取り入れた原料空気の圧縮を行う圧縮機１、圧縮された原料空気を冷却する冷却器３、二酸化炭素及び水等の不純物の吸着除去を行う除炭乾燥器５を設けて、原料空気を順に導く構成としてある。その圧縮、冷却、除炭された原料空気を廃ガス等を利用して液化点付近まで冷却する主熱交換器７を設け、冷却された原料空気を導いて精留を行う精留塔９を設けてある。
前記精留塔９は、前記原料空気の予備精留を行う高圧精留塔１１及び空気の最終分離を行う低圧精留塔１２、高圧精留塔１１と低圧精留塔１２の間にあって低圧精留塔１２に対してはリボイラー、高圧精留塔１１に対してはコンデンサーの働きを行う主凝縮器部１９から構成される。
また、原料空気の一部を前記主熱交換器７を経由させずに冷却する熱交換器１６を設け、原料空気を前記熱交換器１６に導き、前記液体酸素と熱交換可能にする第３経路と前記主凝縮器部１９から液体酸素をパージ可能とする第１経路を設け、前記空気液化分離装置に寒冷としての液体酸素を供給する寒冷供給部１７を設けるとともに、前記寒冷供給部１７から前記熱交換器１６に液体酸素を供給可能とする第２経路を設け、さらに、前記熱交換器１６において液体酸素の気化した酸素ガスを取り出す第５経路とを設けてある。
【００１５】
上述の構成により、除塵用のフィルタを通じた原料空気は、前記圧縮機１に取り入れられ、圧縮機１により６．５ｋｇ／ｃｍ2Ｇのに圧縮された後、配管２を 通り冷却器（フレオン冷却器）３に導入され、この冷却器３で約５℃に予備冷却された後、配管４を通って切替式の除炭乾燥器５の一方の吸着塔５ａに導入され、この一方の吸着塔５ａにおいて、圧縮された原料空気中の二酸化炭素及び水等が除去され、配管６Ａを通り、配管６Ｂを介して、主熱交換器７に導入される。主熱交換器７に送られた原料空気は、主熱交換器７にて熱交換され、液化点近くまで冷却される。そして、冷却された原料空気は、配管８Ａを通り、配管８Ｂを介して、精留塔９の高圧精留塔１１に導入される。
このとき、前記吸着塔５ａの運転中には、前記除炭乾燥器の他方の吸着塔５ｂは、ヒータ２８で加熱された配管２７からの廃ガスによって再生されており、前記吸着塔５ａが吸着飽和したときには、交互に切り替えて運転できる構成にしてある。
【００１６】
高圧精留塔１１に導入された原料空気は、底部には酸素濃縮状態の液体空気を製出し、高圧精留塔１１の頂部に、窒素ガスを製出する。前記酸素富化液体空気は環流液として低圧精留塔に供給される。また、前記窒素ガスは、低圧精留塔１２の頂部へ供給する還流液として働くとともに、同時に低圧精留塔１２の底部に熱源を与える。高圧精留塔１１頂部では窒素ガスの一部が液化され還流液として下部精留部１３を流下し、上昇してくる空気と気液接触して精留する。一方、窒素ガスの残部は、高圧精留塔１１上部から、膨張弁Ｖ1で約１．１ｋｇ／ｃｍ2Ｇに膨張された後、低圧精留塔１２の上部精留部の上部に導かれる。
高圧精留塔１１の底部から配管１８を通して導出された酸素濃縮液体は、膨張弁Ｖ2で約１．２ｋｇ／ｃｍ2Ｇに膨張された後、低圧精留塔１２の第一上部精留部１４Ａの下部２３に導かれる。低圧精留塔１２は、空気の最終分離を行うもので、塔底に酸素を、頂部に窒素を製出する。低圧精留塔１２は、その中間にある空間２３から上は窒素の回収塔として、また、下部は酸素の濃縮塔として働く。低圧精留塔１２の頂部の廃ガスは、配管２４を通して主熱交換器７に導入され、低圧精留塔１２の底部の主凝縮器部１９の下に位置する主凝縮器部１９に貯留された液化酸素のうち高圧精留塔１１の窒素ガスにより気化された酸素ガスは、配管２５を通って主熱交換器７に導入される。前記酸素ガスは、主熱交換器７で圧縮原料空気と熱交換され、配管２６Ａ及び配管２６Ｂ（製品酸素ガス回収路）を通り、約１ｋｇ／ｃｍ2Ｇの圧力で常温の製品酸素ガス（ＧＯ２）として得られ る。また、前記廃ガスは、配管２７を通り、前記主熱交換器７で熱交換した後、約１．０ｋｇ／ｃｍ2Ｇの圧力で常温となって切替式除炭乾燥器５の再生すべき 吸着塔５ｂに送られ、前記吸着塔５ｂの再生ガスとして用いられる。また、前記主凝縮器部１９に貯留される液体酸素は、前記第１経路からパージされる。
【００１７】
また、同時に窒素ガスが必要な場合には、窒素ガスは、高圧精留塔１１の下部精留部１３の上部から配管２９を通して約６ｋｇ／ｃｍ2Ｇの圧力で取り出され 、主熱交換器７で原料空気との熱交換に供された後、常温の製品窒素ガス（ＧＮ２）として配管３０を通って外部に導出される。
【００１８】
前記主凝縮器部１９からパージされた前記液体酸素は、前記第１経路を経由して前記熱交換器１６に導入され、前記第３経路から導入される原料空気と熱交換した後、前記第５経路を経由して前記配管２６Ｂを通じて回収される。一方、前記熱交換器１６で冷熱を回収した前記原料空気は、前記第４経路を経由して前記精留塔に導入される。
また、前記第１経路と前記第２経路は接続されており、配管１５Ｄには開閉自在な弁Ｖ4が設けられている。このように、前記主凝縮器部から前記液体酸素をパージ可能、かつ、前記主凝縮器部に液体酸素を供給可能とする第１経路と寒冷供給用液体酸素を供給可能とする第２経路が連結しているので、装置の起動時等大量の寒冷供給用液体酸素が精留塔に必要な場合にも、前記弁Ｖ4の開閉を調節することで容易に対応できる。
【００１９】
即ち、空気液化分離装置の運転起動時においては、配管１５Ｄに設けられた前記弁Ｖ4を閉じることで、前記寒冷供給部からの寒冷としての液体酸素を、前記 寒冷供給部から主凝縮器部に導入することで、直接的に前記精留塔に冷熱を供給できる。そのため、空気液化分離装置の起動を円滑に行わせることができ、迅速に定常的な運転が開始できるようになる。また、定常運転時においては、配管１５Ｄに設けられた前記弁Ｖ4を開くことで、前記寒冷供給部からの寒冷としての 液体酸素を、前記寒冷供給部から前記熱交換器に導入して、原料空気の一部を介して冷熱を精留塔に供給することができる。そのため、前記寒冷供給部の液体酸素中の不純物としての可燃性物質を主凝縮器部に導入することなく、精留塔への冷熱供給を円滑に行えるようになる。
【００２０】
即ち、通常運転時には、前記主凝縮器部１９からは酸素に富む液体が配管１５Ａにより取り出される。この液体には原料空気中の炭化水素類二酸化炭素等が濃縮されているので、この液体を連続的に取り出すことで、精留塔９内での炭化水素類の蓄積は防止される。配管１５Ａの炭化水素類の濃縮された液体は、配管１５Ｃを通って、熱交換器１６に送られる。この空気液化分離装置５０に必要な冷熱の一部は、液化酸素貯槽１７内に貯留された液化酸素により賄われ、この液化酸素は、配管１５Ｂを通して取り出され、減圧弁Ｖ3により約１．２ｋｇ／ｃｍ2Ｇの圧力に減圧された後、配管１５Ｃを通って熱交換器１６に送られる。この熱交換器１６には、配管６Ａから配管６Ｃを通って常温の原料空気の一部が導かれ、前記配管１５Ｃからの液体はこの常温の空気と間接熱交換することにより強制的に気化され、配管１５Ｄを通って、配管２６Ｂを通り、常温の製品酸素ガス  （ＧＯ２）として得られる。熱交換器１６において液体酸素の加熱気化に用いられた一部の空気は自らは冷却されて配管６Ｄから取り出され、配管８Ｂを通り、高圧精留塔１１の空間１０に導入される。
【００２１】
一方、装置立ち上げ時には、前記液体酸素槽１７からの液体酸素は、配管１５Ｂを通して取り出され、配管１５Ａを経由し、前記液体酸素貯留槽に貯留される。これにより、主凝縮器部１９で必要な寒冷としての液体酸素を、前記液体酸素貯留槽１７から直接的に前記主凝縮器部１９に導入することができ、装置立ち上げ時には迅速かつ的確な液体酸素の供給を行うことができるのである。
【００２２】
沸点の異なる成分から混合液体を気化させる場合、徐々に気化させると一部成分のみが気化して他成分が液体中に残り濃縮される。従って、それを防止するために、配管１５Ｃにおける液体酸素の量に比較して、配管６Ａにおける常温空気は相当量使用し、強制的に液化酸素の気化を行う。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明空気液化分離装置のフローを示す図
【図２】従来の空気液化分離装置のフローを示す図
【符号の説明】
１    圧縮機
３    冷却器
５    除炭乾燥器
７    主熱交換器
９    精留塔
１１  高圧精留塔
１２  低圧精留塔
１６  熱交換器
１７  寒冷供給部
１９  主凝縮器部
５０  空気液化分離装置
【図１】
0003969874.tif 000002
【図２】
0003969874.tif 000003