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JPH0731002B2 - 空気液化分離装置 - Google Patents
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JPH0731002B2 - 空気液化分離装置 - Google Patents

空気液化分離装置

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JPH0731002B2
JPH0731002B2 JP32455187A JP32455187A JPH0731002B2 JP H0731002 B2 JPH0731002 B2 JP H0731002B2 JP 32455187 A JP32455187 A JP 32455187A JP 32455187 A JP32455187 A JP 32455187A JP H0731002 B2 JPH0731002 B2 JP H0731002B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、空気液化分離装置に関するものである。
〔従来の技術〕
第４図は、単精留塔を用いて窒素を採取する従来の空気
液化分離装置であって、単精留塔１の上部には、凝縮器
２が一体的に設けられている。この凝縮器２は、塔底部
の液化空気LAを膨張弁３で膨張させて低温とし、塔頂部
の窒素ガスGNを液化するためのものであって、凝縮器２
で液化した液化窒素LNは、自重で単精留塔１の頂部に流
下して単精留塔１の還流液となる。
原料空気Ａは、熱交換器４で冷却されて単精留塔１の下
部に導入され、単精留塔１の上部から流下する還流液と
接触して精留され、塔頂部の窒素ガスGNと塔底部の酸素
富化の液化空気LAとに分離する。この液化空気LAは、膨
張弁３を経て凝縮器２に導入され、蒸発気化して排ガス
Ｗとなり、凝縮器２の上部から導出される。排ガスＷ
は、熱交換器４で昇温した後に膨張タービン５に導入さ
れ、寒冷を発生し、再び熱交換器４に導入されて原料空
気Ａの冷却源となる。
一方単精留塔１頂部の窒素ガスGNは、塔頂部から導出さ
れ、一部が熱交換器４で原料空気Ａと熱交換を行い、温
度回復して製品窒素ガスPGNとして採取される。残部の
窒素ガスGNは、凝縮器２の窒素室に導入され、前記液化
空気LAにより冷却されて凝縮液化し、液化窒素LAとな
る。
この液体窒素LNは、一部が製品液体窒素PLNとして採取
され、残部が単精留塔１の頂部に自重で流下し、還流液
となる。
そして前記単精留塔1,凝縮器2,熱交換器４等の低温機器
は、第５図に示すように、外槽６内に収納されており、
外部と断熱されている。
次に第６図は、複精留塔を用いて窒素及び酸素を採取す
る空気液化分離装置であって、複精留塔10の上部塔11と
下部塔12との間に凝縮器13が配設されている。
原料空気Ａは、熱交換器14で液化点付近まで冷却されて
下部塔12の下部に導入され、下部塔12頂部の窒素ガスGN
と塔底部の酸素富化の液化空気LAとに分離する。また原
料空気Ａの一部は、熱交換器14の中間部から膨張タービ
ン15に導入され、膨張して低温となり、上部塔11の中段
に導入される。
前記下部塔12底部の液化空気LAは、過冷器16と膨張弁17
を経て上部塔11の中段に導入され、前記膨張タービン15
を経て上部塔11に導入された原料空気Ａと共に、さらに
精留されて塔頂部の高純度窒素ガスHGNと塔底部の液化
酸素LOとなる。この液化酸素LOは、凝縮器13で蒸発気化
して酸素ガスGOとなり、一部が上部塔11の下部から導出
され、熱交換器14で温度回復して製品酸素ガスPGOとし
て採取され、残部の酸素ガスGOが上部塔11の上昇ガスと
なる。また液化酸素LOの一部は、液状のまま導出され、
過冷器16を経て製品液化酸素PLOとして採取される。
一方下部塔12頂部の窒素ガスGNは、凝縮器13の窒素室に
導入されて前記液化酸素LOにより冷却され、凝縮液化し
て液化窒素LNとなる。この液化窒素LNは、一部が還流液
として下部塔12の頂部に導入され、残部が過冷器16を経
た後に分岐して一部が製品液体窒素PLNとして採取さ
れ、残部が膨張弁18を経て上部塔11頂部に導入され、上
部塔11の還流液となる。
上部塔11頂部の高純度窒素ガスHGNは、過冷器16,熱交換
器14を経て製品窒素ガスPGNとして採取されており、ま
た上部塔11の中段からは、低純度窒素ガスWGNが導出さ
れ、過冷器16,熱交換器14を経て吸着器（図示せず）の
再生等に用いられている。
この複精留塔10を用いたものも、前記単精留塔のものと
同様に外部と断熱された外槽内に収納されている（図示
せず）。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら、上述のものでは、凝縮器2,13で液化した
液化窒素LNをその自重（液ヘッド）で単精留塔１（複精
留塔10の場合は下部塔12）の頂部に導入し、還流液とし
ているため、凝縮器2,13を単精留塔１（下部塔12）より
上方に設置する必要があった。
そのため外槽６内に収納される他の機器に比べて単精留
塔１（複精留塔10）部分の高さが高くなり、外槽６内の
熱交換器上方にデッドスペース７が生じていた（第５
図）。
そこで、本発明は、外槽内のスペースを有効に利用でき
るとともに、動力原単位を低減できる空気液化分離装置
を提供することを目的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
上記した目的を達成するために本発明は、圧縮，精製，
冷却されて精留塔の下部に導入される原料空気と、凝縮
器で液化されて前記精留塔の上部から流下する還流液と
を接触させて酸素，窒素等を精留分離する空気液化分離
装置において、前記凝縮器を精留塔の側方に配置すると
ともに、該凝縮器で液化した液化ガスを還流液として精
留塔の上部に導入するための揚液用サーモサイホン熱交
換器を設けたものであって、該サーモサイホン熱交換器
の温流体を前記原料空気，あるいは精留塔より導出後に
昇温された製品窒素，低純度窒素または排ガス等とした
ことを特徴とする。
〔作用〕
従って、従来デッドスペースとなっていた部分に凝縮器
を配設できるので外槽内のスペースを有効に利用でき、
外槽を小さく形成できて熱損失を減少させるとともに、
原料空気等を温流体としたサーモサイホン熱交換器によ
り揚液するので液化ガス用ポンプ等の動力を必要とせ
ず、動力費が増すこともない。また外槽を同一容積とし
た場合には、精留塔を高く、即ち精留段数を多くとれる
ので従来の空気液化分離装置に比べて分離効率を向上さ
せることができる。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を第１図乃至第３図の基づいて説
明する。尚、前記従来例と同一要素のものには、同一符
号を付して詳細な説明を省略する。
まず第１図は、単精留塔を用いた空気液化分離装置であ
って、前記第４図に示した空気液化分離装置に対応する
ものである。
この空気液化分離装置20は、凝縮器21を単精留塔22の側
方で熱交換器４の上方の位置に配設するとともに、該凝
縮器21と単精留塔22との間にサーモサイホン熱交換器23
を配設している。
上記凝縮器21は、前記従来例と同様に、単精留塔22底部
の液化空気LAと単精留塔22頂部の窒素ガスGNを導入して
液化空気LAを蒸発させるとともに窒素ガスGNを凝縮させ
るもので、凝縮器21の上部からは蒸発した液化空気LAが
排ガスＷとして導出され、下部からは液体窒素LNが導出
されている。
また前記サーモサイホン熱交換器23は、前記凝縮器21で
凝縮した液体窒素LNを単精留塔22の頂部に還流液として
導入するためのもので、原料空気Ａの一部を温流体とし
て液体窒素LNの一部を蒸発させ、蒸発時に生じる気泡の
上昇力により液体窒素LNを揚液している。
さらに前記凝縮器21の下部には、サーモサイホン熱交換
器23に導入する液体窒素LNの液ヘッドを得るための液溜
め24が設けられている。
以下気液の流れに従って本装置を説明する。
熱交換器４で冷却された原料空気Ａは、熱交換器４を出
た後に分岐し、一部が導管25によりサーモサイホン熱交
換器23に上方から導入され、前記液体窒素LNの一部を蒸
発させるとともに、自身は僅かに冷却されて液化率が高
まり、導管26により導出されて単精留塔22の下部に導入
される。このサーモサイホン熱交換器23に導入する原料
空気Ａの量は、単精留塔22の導入部に設けられた弁27に
より調節されている。
そして、単精留塔22の下部に導入された原料空気Ａは、
単精留塔22内を流下する還流液と接触して精留分離さ
れ、塔頂部の窒素ガスGNと塔底部の酸素富化の液化空気
LAになる。この液化空気LAは、膨張弁３を経て凝縮器21
に導入され、蒸発気化して排ガスＷとなり、凝縮器２の
上部から導出される。排ガスＷは、熱交換器４で昇温し
た後に、膨張タービン５に導入されて寒冷を発生し、再
び熱交換器４に導入されて原料空気Ａの冷却源となった
後に排出される。
一方単精留塔22の塔頂部から導出された窒素ガスGNの一
部は、熱交換器４に導入されて温度回復し、製品窒素ガ
スPGNとして採取される。残部の窒素ガスGNは、凝縮器2
1の窒素室に導入されて前記液化空気LAにより冷却さ
れ、凝縮液化して液体窒素LNとなり、液留め24に貯えら
れる。この液体窒素LNは、一部が製品液化窒素PLNとし
て採取され、残部がサーモサイホン熱交換器23に導入さ
れて原料空気Ａと熱交換を行い、一部が蒸発して発泡す
ることにより揚液され、単精留塔22の頂部に還流液とし
て導入される。この時、サーモサイホン熱交換器23内の
液体窒素LNは、前記液溜め24内の液ヘッドにより、揚液
に必要な量が導入されている。
第２図は、蒸気空気液化分離装置20を外槽28内に収納し
た状態を示すもので、従来、熱交換器４の上方に生じて
いたデッドスペース部分（第５図の符号７参照）に凝縮
器21及びサーモサイホン熱交換器23を配置できるから、
外槽28内のスペースを有効に利用できるとともに、単精
留塔22の上方に一体的に配設されていた凝縮器21が単精
留塔22の横位置となるので、外槽28を単精留塔22のみの
高さに対応した高さとすることができ、従来より低くす
ることができる。これにより外槽28の容積や表面積が減
少するとともに、装置を小型にまとめることができ、熱
損失が減少し、消費動力を低減させることができる。
また外槽28の大きさを輸送時の制限等の最大寸法とし
て、外槽28を従来と同じ大きさに形成した場合は、単精
留塔22を高くすることができ、その分精留段数を多くす
ることができる。これにより精留効率が向上し、原料空
気Ａの量を少なくすることができ、動力原単位を低減す
ることができる。
次に第３図は、複精留塔を用いた例を示すもので、前記
第６図に示した空気液化分離装置に対応するものであ
る。
この空気液化分離装置30は、凝縮器31を複精留塔32の側
方で過冷器16の上方の位置に配設するとともに、該凝縮
器31と複精留塔32との間にサーモサイホン熱交換器33を
配設している。
これにより前記単精留塔を用いた空気液化分離装置の場
合における効果と同様の効果を得ることができる。
以下、要部の気液の流れを説明する。
原料空気Ａは、三方に分岐して用いられている。まず熱
交換器14の中間で分岐した原料空気A1は、膨張タービン
15を経て上部塔32に導入されており、また下部塔34の底
部に導入される前に分岐した原料空気A2は、前記サーモ
サイホン熱交換器33の温流体として用いられた後に下部
塔34の下部に導入されている。そして残部の原料空気A3
は、弁37により流量を調節されて下部塔34の下部に導入
されている。
凝縮器31には、下部塔34頂部の窒素ガスGNと上部塔35底
部の液体窒素LOが導入され、窒素ガスGNが凝縮して液体
窒素LNになるとともに、液化酸素LOが蒸発して酸素ガス
GOになる。この酸素ガスGOは、凝縮器31の上部から導入
されて上部塔35の下部に戻され、一部が上部塔35の上昇
ガスとなり、残部が上部塔35から導出され、熱交換器14
を経て製品酸素ガスPGOとして採取される。
また液体窒素LNは、凝縮器31の下部から導出され、液溜
め36を経てサーモサイホン熱交換器33に導入されて下部
塔34頂部に揚液され、下部塔34の還流液となる。また一
部の液体窒素LNは、過冷器16を経て分岐し、一方が上部
塔32頂部に還流液として導入され、他方が製品液体窒素
PLNとして採取される。
尚、上部塔32の頂部からは、製品（PGN）となる高純度
窒素ガスHGNが採取され、中段からは低純度窒素ガスWGN
が導出されている。
また、前記両実施例において、凝縮器とサーモサイホン
熱交換器の間に設けられる液溜めは、サーモサイホン熱
交換器の液ヘッドを他の手段により得られる場合には省
略することができる。例えば凝縮器導出側の配管の径が
他に比べて十分に大径の場合には、これに代えることが
できる。また各機器や配管等は、製品の種類や純度，採
取量等により適宜設定されるものである。
以上の例は、サーモサイホン熱交換器の温流体として、
原料空気を利用した場合であるが、この温流体として他
の流体、例えば単精留塔の場合には、凝縮器で気化後熱
交換器で加温された排ガスを用いても良いし、複精留塔
の場合には、上部塔から導出後過冷器、主熱交換器等に
より加温された製品窒素、低純度窒素等を用いても良
い。
さらに複精留塔に附属して粗アルゴン塔、高純度アルゴ
ン塔を設置する場合、従来これらのアルゴン塔の頂部
は、複精留塔頂部より高い位置になるように設定されて
いるが、本発明により粗アルゴン塔あるいは高純度アル
ゴン塔の各々の凝縮器を各々の塔の側方に設置すること
が可能であり、同様に外槽の高さを低くすることができ
る。
〔発明の効果〕
本発明は、以上説明したように、従来外槽内のデッドス
ペースとなっていた精留塔の側方に凝縮器を配設すると
ともに、該凝縮器で液化した液化ガスを、サーモサイホ
ン熱交換器により揚液して精留塔の還流液とするから、
従来と同じ精留塔を用いた場合には外槽を小さく形成で
きて熱損失を減少させることができ、また従来と同じ外
槽を用いた場合には精留塔を高くして精留段数を多くで
き、分離効率を向上させることができる。さらに液化ガ
スの揚液に動力を必要としないから動力費が増すことが
なく、前記熱損失の減少あるいは分離効率の向上によ
り、空気液化分離装置の動力原単位を低減させることが
できる。
【図面の簡単な説明】
第１図乃至第３図は本発明の実施例を示すもので、第１
図は単精留塔を用いた空気液化分離装置の系統図、第２
図は同装置を外槽内に収納した状態を示す説明図、第３
図は複精留塔を用いた空気液化分離装置の系統図、第４
図乃至第６図は従来例を示すもので、第４図は単精留塔
を用いた空気液化分離装置の系統図、第５図は同装置を
外槽内に収納した状態を示す説明図、第６図は複精留塔
を用いた空気液化分離装置の系統図である。 20,30……空気液化分離装置、21,31……凝縮器、22……
単精留塔、23,33……サーモサイホン熱交換器、28……
外槽、32……複精留塔、Ａ……原料空気、GN……窒素ガ
ス、GO……酸素ガス、LN……液化窒素、LO……液化酸素

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】圧縮，精製，冷却されて精留塔の下部に導
    入される原料空気と、凝縮器で液化されて前記精留塔の
    上部から流下する還流液とを接触させて酸素，窒素等を
    精留分離する空気液化分離装置において、前記凝縮器を
    精留塔の側方に配置するとともに、該凝縮器で液化した
    液化ガスを還流液として精留塔の上部に導入するための
    揚液用サーモサイホン熱交換器を設けたことを特徴とす
    る空気液化分離装置。
  2. 【請求項２】前記サーモサイホン熱交換器の温流体が、
    原料空気であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
    記載の空気液化分離装置。
  3. 【請求項３】前記サーモサイホン熱交換器の温流体が、
    精留塔より導出後に昇温された製品窒素，低純度窒素あ
    るいは排ガスであることを特徴とする特許請求の範囲第
    １項記載の空気液化分離装置。
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