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JPS6140909B2 - - Google Patents
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JPS6140909B2 - - Google Patents

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JPS6140909B2
JPS6140909B2 JP57079932A JP7993282A JPS6140909B2 JP S6140909 B2 JPS6140909 B2 JP S6140909B2 JP 57079932 A JP57079932 A JP 57079932A JP 7993282 A JP7993282 A JP 7993282A JP S6140909 B2 JPS6140909 B2 JP S6140909B2
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nitrogen gas
single rectification
gas
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Norio Nakazato
Yukyoshi Yoshimatsu
Makoto Nawata
Sadao Masuda
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Hitachi Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、空気分離方法および装置に係り、特
に単式精留塔で酸素回収率の高い空気分離を行う
のに好適な空気分離方法および装置に関するもの
である。
一般に、空気分離装置の評価尺度には、分離さ
れた単位製品当りの供給エネルギー、即ち、電力
原単位が用いられている。
従来の空気分離方法および装置の代表例を第
１，第２図により説明する。
第１図は、初期の空気分離装置に見られるもの
で、精留塔に単式精留塔を用いた空気分離装置の
部分系統図で、単式精留塔１０には、高さ方向に
多数の棚段１１が内設されている。単式精留塔１
０の底部には、凝縮器１２が液体酸素に浸漬して
内設されている。凝縮器１２の入口には、導管１
３が、出口には、導管１４がそれぞれ連結されて
いる。導管１４は、単式精留塔１０の上部に連結
されている。単式精留塔１０の頂部には、導管１
６がそれぞれ連結されている。
空気圧縮機（図示省略）で圧縮され、原料空気
冷却用の熱交換器（図示省略）で冷却された原料
空気は、導管１３を経て凝縮器１２に供給され
る。凝縮器１２を出口に向つて流通する間に、周
囲の液体酸素と熱交換し凝縮，液化され液化した
原料空気は、導管１４を経て単式精留塔１０の上
部から環流液として供給される。一方、凝縮器１
２の周囲の液体酸素は蒸発，気化し上昇ガスとな
る。この上昇ガスと環流液とは、棚段１１上で気
液接触を行ない、精留分離が進行する。その結
果、単式精留塔１０の頂部からは導管１５を経て
窒素分に富むガスが、下部からは導管１６を経て
高純度の酸素ガスが取出される。
このような空気分離法および装置では、単式精
留塔の上部から供給される環流液は空気組成であ
るため、下部からは高純度の酸素ガスが取出され
るものの、頂部から取出されるガスの窒素濃度は
93％が限度であり、酸素の回収率は低い水準に止
まらざるを得ず、したがつて、電力原単位が高く
なるといつた欠点があつた。
第２図は、現在広く使用されている、精留塔に
複式精留塔を用いた空気分離装置の部分系統図
で、複式精留塔２０は、高さ方向に多数の棚段２
１が内設され高圧力で操作される下塔２２と、高
さ方向に多数の棚段２３が内設され低圧力で操作
される上塔２４とで構成されている。上塔２４と
下塔２２とは、再沸・凝縮器２５で熱的に結合さ
れている。下塔２２の上部には、膨張弁２６が設
けられた導管２７が、下部には、導管２８が、底
部には、膨張弁２９が設けられた導管３０がそれ
ぞれ連結されている。上塔２４の頂部には、導管
２７と導管３１とが、中部には、導管３０と導管
３２とが、下部には、導管３３がそれぞれ連結さ
れている。
空気圧縮機（図示省略）で圧縮され、原料空気
冷却用の熱交換器（図示省略）で冷却された原料
空気は、導管２８を経て下塔２２の下部に上昇ガ
スとして導入される。この上昇ガスは、再沸・凝
縮器２５で凝縮，液化し環流液となり下塔２２内
を流下する。この間、環流液と上昇ガスは棚段２
１上で気液接触し、予備精留されて下塔２２の上
部で高純度の液体窒素が、底部で酸素富化された
液体空気が得られる。下塔２２の上部から高純度
の液体窒素が導管２７を経て、底部から酸素富化
された液体空気が導管３０を経て抜出され、それ
ぞれ膨張弁２６，２９で上塔２４の圧力まで膨張
した後に、上塔２４の頂部と中部から上塔２４の
環流液として供給される。一方、上塔２４の底部
に溜つた液体は再沸・凝縮器２５で下塔２２の頂
部の窒素に加熱されて蒸発，気化し、上塔２４の
上昇ガスとなる。この上昇ガスと環流液とは棚段
２３上で気液接触し、この結果、上塔２４の頂部
から高純度の窒素ガスが導管３１を経て下部から
高純度の酸素ガス導管３３より、中部から窒素分
に富む廃ガスが導管３２よりそれぞれ取出され
る。
このような空気分離方法および装置では、酸素
回収率が大幅に改善されるという利点を有する反
面、精留塔が上塔と下塔とで構成されているた
め、構造が複雑になるばかりか、高さも高くな
り、したがつて、装置価格が増大するといつた欠
点があつた。
本発明の目的は、上記した従来技術が有する欠
点を除去することで、電力原単位を小さくできる
と共に、装置価格を安価にできる空気分離方法お
よび装置を提供することにある。
本発明の特徴は、原料空気を液化し、該酸化し
た原料空気の温度を、単式精留塔内の高純度の窒
素ガスが凝縮，液化するに必要な温度まで低下さ
せた後に、単式精留塔内の高純度の窒素ガスと液
化した原料空気とを熱交換させて単式精留塔内の
高純度の窒素ガスを凝縮，液化すると共に、液化
した原料空気を気化させて、該気化した原料空気
の圧力を、単式精留塔内の高純度の窒素ガスの圧
力が、該窒素ガスが凝縮，液化するに必要な圧力
となるように昇圧した後に、単式精留塔に導入す
ると共に、単式精留塔の頂部より高純度の窒素ガ
スを、下部より高純度の酸素ガスを、中部より窒
素分に富んだ廃ガスをそれぞれ取出すことで、単
式精留塔で酸素回収率の高い空気分離を行なうこ
とにある。
本発明の一実施例を第３図により説明する。
第３図は、本発明を実施した空気分離装置の系
統図で、高さ方向に多数の棚段（図示省略）が内
設された単式精留塔４０の底部には、液体酸素に
浸漬して第１凝縮器４１が、頂部には、第２凝縮
器４２がそれぞれ内設されている。第１凝縮器４
１の入口には、原料空気冷却用の熱交換器、例え
ば、可逆式の熱交換器（以下、熱交換器と略）４
３の原料空気流路４４の出口に連結された導管４
５が連結されている。原料空気流路４４の入口に
は、空気圧縮機４６が設けられた導管４７が連結
されている。第１凝縮器４１の出口と第２凝縮器
４２の入口とは、過冷却器４８と液体空気圧力温
度低下手段、例えば、膨張弁４９とが設けられた
導管５０で連結されている。第２凝縮器４２の出
口と単式精留塔４０の中部とは、圧縮機５１が設
けられた導管５２で連結されている。単式精留塔
４０の頂部には、熱交換器４３の窒素ガス流路５
３の入口に連結された導管５４が連結されてい
る。導管５４には、寒冷発生手段、例えば、膨張
タービン５５が設けられている。単式精留塔４０
の下部には、熱交換器４３の酸素ガス流路５６の
入口に連結された導管５７が連結されている。導
管５７には、膨張タービン５８が設けられてい
る。単式精留塔４０の中部には、過冷却器４８に
連結された導管５９が連結されている。過冷却器
４８には、熱交換器４３の流路が切替えられる廃
ガス流路６０の入口に連結された導管６１が連結
されている。導管６１には、膨張タービン６２が
設けられている。なお、熱交換器４３の窒素ガス
流路５３、酸素ガス流路５６および廃ガス流路６
０の出口には、導管６３〜６５が連結されてい
る。
圧縮機４６で、5.2Kg／cm2・Ｇに昇圧された原
料空気は、導管４７を経て熱交換器４３の原料空
気流路４４に供給され、ここを流通する間に冷却
され水分および炭酸ガスを除去される。水分およ
び炭酸ガスを除去された原料空気は、熱交換器４
３から導管４５を経て第１凝縮器４１に供給され
る。この原料空気の凝縮温度は、98.6Kであり、
したがつて、第１凝縮器４１を流通する間に単式
精留塔４０の塔底に溜つた温度が96.9Kの液体酸
素により冷却されて液化し、また、液体酸素の一
部は蒸発，気化する。第１凝縮器４１で液化され
た原料空気（以下、液体空気と略）は、第１凝縮
器４１から導管５０を経て過冷却器４８に供給さ
れ、ここで、単式精留塔４０の中部から取出され
導管５９を経て過冷却器４８に供給される窒素分
に富んだ廃ガス（以下、廃ガスと略）により過冷
却される。過冷却された液体空気は過冷却器４８
から導管５０を経て膨張弁４９に至り、ここで、
温度を単式精留塔４０内の高純度の窒素ガスが凝
縮，液化するに必要な温度まで低下させるために
圧力5.2Kg／cm2・Ｇから圧力1.2Kg／cm2・Ｇまで膨
張する。この膨張により沸騰温度が80.0Kとなつ
た液体空気は、その後、導管５０を経て第２凝縮
器４２に供給され、ここを流通する間に、周囲の
温度が81.7Kの高純度の窒素ガスを凝縮，液化す
ると共に、自身は蒸発，気化される。この気化し
た原料空気は、第２凝縮器４２から導管５２を経
て圧縮機５１に供給され、ここで、単式精留塔４
０内の高純度の窒素ガスの圧力が、この窒素ガス
が凝縮，液化するに必要な圧力となるように1.8
Kg／cm2・Ｇまで昇圧された後に、導管５２を経て
単式精留塔４０の中部に導入される。
単式精留塔４０内では、単式精留塔４０の塔底
に溜つた液体酸素の一部から蒸発，気化した酸素
ガスと、単式精留塔４０の中部から導入された原
料空気が上昇ガスとして単式精留塔４０内を上昇
する。一方、単式精留塔４０の塔頂で第２凝縮器
４２を流通する液体空気により凝縮，液化した高
純度の窒素ガスは環流液となり単式精留塔４０内
を流下する。この上昇ガスと環流液とは、単式精
留塔４０に内設された棚段上で気液接触をなし精
留が進み、単式精留塔４０の塔頂に高純度の窒素
ガスを、塔底に高純度の液体酸素を分離する。高
純度の窒素ガスは単式精留塔４０の塔頂から導管
５４を経て、また、高純度の酸素ガスは下部から
導管５７を経てそれぞれ取出される。導管５４を
流通する高純度の窒素ガスと導管５７を流通する
高純度の酸素ガスとは、それぞれ膨張タービン５
５，５８でほぼ大気圧力まで膨張した後に、熱交
換器４３の窒素ガス流路５３と酸素ガス流路５６
とにそれぞれ供給される。高純度の窒素ガスと高
純度の酸素ガスとは、窒素ガス流路５３と酸素ガ
ス流路５６とを流通する間に、原料空気流路４４
を流通する原料空気を冷却した後に、導管６３，
６４よりそれぞれ別途使用先（図示省略）に送給
される。また、単式精留塔４０の中部から導管５
９を経て廃ガスが取出される。この廃ガスは、過
冷却器４８で液体空気を過冷却した後に、導管６
１を経て膨張タービン６２に供給される。ここで
廃ガスは、ほぼ大気圧力まで膨張し、その後、導
管６１を経て熱交換器４３の廃ガス流路６０に供
給され、廃ガス流路６０は流通した後に導管６５
を経て廃棄される。膨張タービン５５，５８，６
２では、高純度の窒素ガス，高純度の酸素ガスお
よび廃ガスがそれぞれの圧力からほぼ大気圧力ま
で膨張することで空気分離装置に必要な寒冷を発
生させ、この寒冷を熱交換器４３で原料空気に移
す。
このような空気分離方法および装置では、次の
ような効果がある。
(1) 従来の単式精留塔を用いた空気分離装置が有
する酸素回収率が低いという欠点を除去でき、
高い酸素回収率を確保できるので、電力原単位
を低減できる。
(2) 従来の複式精留塔を単式精留塔に置き換える
ことができるので、精留塔をコンパクト化で
き、したがつて、装置価格が安価となる。
なお、本実施例では、圧縮機と廃ガスの膨張タ
ービンとを別々に設けているが、その他に、圧縮
機と膨張タービンとを直結したタービン圧縮機を
設けても良い。
第４図は、本発明の他の実施例を説明する空気
分離装置の系統図で、なお、第４図で、第３図と
同一装置等は同一符号で示し説明を省略する。
第４図で、導管５０の膨張弁４９と第２凝縮器
４２との間に気液分離器６６が設けられている。
気液分離器６６の頂部には、導管６７が連結さ
れ、導管６７は、圧縮機５１の前流側で導管５２
に連結されている。導管５２には、圧縮機５１の
前流側でミスト蒸発器６８が設けられている。単
式精留塔４０′の中部には、第３凝縮器６９が内
設されている。第３凝縮器６９の入口には、気液
分離器６６と第２凝縮器４２との間で導管５０よ
り分岐した導管７０が、出口には、第２凝縮器４
２とミスト蒸発器６８との間で導管５２より分岐
した導管７１がそれぞれ連結されている。
液体空気は、膨張弁４９で圧力5.2Kg／cm2・Ｇ
から圧力1.2Kg／cm2・Ｇまで膨張する際、過冷却
器４８で過冷却されているものの一部気化し、気
液混相となり導管５０を経て気液分離器６６に供
給される。気液分離器６６では、液体空気と気化
した原料空気とに分離される。分離された液体空
気は、気液分離器６６から導管５０を経て第２凝
縮器４２に所定量供給されると共に、残量は、導
管５０，７０を経て第３凝縮器６９に供給され
る。第２凝縮器４２を流通する液体空気は、高純
度の窒素ガスを凝縮，液化することで蒸発，気化
し、また、第３凝縮器６９を流通する液体空気
は、窒素分に富んだ上昇ガスを凝縮，液化するこ
とで蒸発，気化する。第２凝縮器４２で蒸発，気
化した原料空気は導管５２を経て、また、第３凝
縮器６９で蒸発，気化した原料空気は導管７１，
５２を経てミスト蒸発器６８に供給される。ミス
ト蒸発器６８では、第２凝縮器４２と第３凝縮器
６９で蒸発，気化した原料空気中に存在するミス
トが完全に蒸発される。その後、この原料空気
は、気液分離器６６から導管６７を経て導管５２
に流入する原料空気と共に圧縮機５１で1.8Kg／
cm2・Ｇまで昇圧される。圧縮機５１で1.8Kg／
cm2・Ｇまで昇圧された原料空気は、導管５２を経
て単式精留塔４０′の中部に導入される。
このような空気分離方法および装置では、上記
実施例に比較し更に次のような効果がある。
(1) 単式精留塔の頂部を小さくすることができる
ので、精留塔を更にコンパクト化できる。
(2) 気液分離器とミスト蒸発器との作用により圧
縮機へ供給される原料空気中にミストが含まれ
ることがないため、圧縮機をより安定して運転
することができる。
本発明は、以上説明したように、圧縮，冷却さ
れた原料空気を液化し、該液体空気の温度を、単
式精留塔内の高純度の窒素ガスが凝縮，液化する
に必要な温度まで低下させた後に、単式精留塔内
の高純度の窒素ガスと液体空気とを熱交換させて
単式精留塔内の高純度の窒素ガスを凝縮，液化す
ると共に、液体空気ご蒸発，気化させ、該気化し
た原料空気の圧力を、単式精留塔内の高純度の窒
素ガスの圧力が、該窒素ガスが凝縮，液化するに
必要な圧力となるように昇圧した後に、単式精留
塔に導入すると共に、単式精留塔の頂部より高純
度の窒素ガスを、下部より高純度の酸素ガスを、
中部より廃ガスをそれぞれ取出すようにしたもの
であるから、高い酸素回収率を確保できると共
に、精管塔をコンパクト化できるので、分離製品
の電力原単位を低減できると共に、装置価格を安
価にできる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第１図は、従来の単式精留塔を用いた空気分離
装置の部分系統図、第２図は、従来の複式精留塔
を用いた空気分離装置の部分系統図、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。 ４０，４０′……単式精留塔、４１……第１凝
縮器、４２……第２凝縮器、４３……熱交換器、
４５，４７，５０，５２，５４，５７，５９，６
１，６３から６５，６７，７０，７１……導管、
４６……空気圧縮機、４９……膨張弁、５１……
圧縮機、５５，５８，６２……膨張タービン、６
９……第３凝縮器。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 原料空気を圧縮して昇圧する工程と、前記昇
    圧された原料空気を単式精留塔かられぞれ取り出
    された高純度の窒素ガスと高純度の酸素ガスと窒
    素分に富んだ廃ガスとで冷却する工程と、前記昇
    圧，冷却された原料空気を前記単式精留塔に送つ
    て該塔内の底部にある液体酸素と間接熱交換させ
    該液体酸素を蒸発，気化させると共に前記昇圧，
    冷却された原料空気を凝縮，液化させる工程と、
    該液化した原料空気の温度を前記単式精留塔内の
    高純度の窒素ガスが凝縮，液化するのに必要な温
    度まで低下させる工程と、該温度が低下した液体
    空気と前記単式精留塔内の前記高純度の窒素ガス
    とを間接熱交換させ該高純度の窒素ガスを凝縮，
    液化させると共に前記液体空気を蒸発，気化させ
    る工程と、該気化した原料空気を前記単式精留塔
    内の前記高純度の窒素ガスが凝縮，液化するのに
    必要な圧力に昇圧した後に前記単式精留塔内に導
    入する工程と、該導入された原料空気と前記単式
    精留塔内で前記液体酸素から蒸発，気化した酸素
    ガスとが合流した窒素分に富んだ上昇ガスと前記
    単式精留塔内で凝縮，液化して流下する前記液化
    した高純度の窒素ガスとを気液接触させ前記単式
    精留塔内の塔頂に高純度の窒素ガス円塔底に高純
    度の液体酸素を分離して前記単式精留塔より高純
    度の窒素ガスと高純度の酸素ガスと廃ガスとをそ
    れぞれ取り出す工程とでなることを特徴とする空
    気分離方法。 ２ 原料空気を圧縮して昇圧する空気圧縮機と、
    該圧縮機で昇圧された前記原料空気を冷却する熱
    交換器と、空気分離を行う単式精留塔と、該精留
    塔の底部に内設され該底部にある液体酸素を蒸
    発，気化させると共に前記昇圧されて冷却された
    原料空気を凝縮，液化させる凝縮器と、該凝縮器
    で凝縮，液化した原料空気の温度を前記単式精留
    塔内の高純度の窒素ガスが凝縮，液化するのに必
    要な温度に低下させる液体空気圧力温度低下手段
    と、前記単式精留塔の頂部に内設され前記高純度
    の窒素ガスを凝縮，液化させると共に前記温度に
    温度が低下した前記液体空気を蒸発，気化させる
    他の凝縮器と、該他の凝縮器で蒸発，気化した原
    料空気を前記単式精留塔内の前記高純度の窒素ガ
    スが前記他の凝縮器で凝縮，液化するのに必要な
    圧力となるように昇圧して前記単式精留塔内に導
    入する圧縮機とで構成したことを特徴とする空気
    分離装置。
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