JP2001235275A - 酸素の製造方法 - Google Patents

酸素の製造方法

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JP2001235275A JP2000045917A JP2000045917A JP2001235275A JP 2001235275 A JP2001235275 A JP 2001235275A JP 2000045917 A JP2000045917 A JP 2000045917A JP 2000045917 A JP2000045917 A JP 2000045917A JP 2001235275 A JP2001235275 A JP 2001235275A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 コスト面で有利な前加圧法をとりながら、熱
交換器での熱応力を低下させて酸素を必要な圧力まで昇
圧させる。 【解決手段】 精留塔７から取り出した液体酸素をポン
プ１２により臨界圧力以上まで昇圧させて熱交換器１３
に導入し、臨界温度以上まで加温して取り出すようにし
た。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は深冷蒸留法等で得ら
れた液体酸素を加圧し昇温させて高圧の酸素を製造する
酸素の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】高圧のガス酸素を製造する最も一般的な
方法は、低圧のガス状態で取り出した酸素を酸素圧縮機
で所定圧力まで加圧する方法である。
【０００３】しかし、この方法によると、圧縮時の圧縮
熱によって高温になる酸素と圧縮機材料等との反応性が
高くなるため安全上の問題があり、その設備費とともに
メンテナンス費が大きな負担となる。
【０００４】一方、この問題を回避する方法として、空
気分離装置で得られた液体酸素を加圧した後、熱交換器
で昇温させる方法が知られている。
【０００５】この場合、具体的な方法として、従来は、
液体酸素をポンプで加圧した後、アルミ鑞付けプレート
フィン熱交換器で高温流体（たとえば加圧した原料空
気）との熱交換により蒸発させる方法（以下、前加圧法
という）がとられている。
【０００６】アルミ鑞付けプレートフィン熱交換器は、
熱伝導性が良くて多流体熱交換器として使用が可能であ
り、かつ、伝熱面積に対してコンパクトでしかも低コス
トで提供できるため、この前加圧法におけるキーハード
となっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところが、このアルミ
鑞付けプレートフィン熱交換器を使用する前加圧法によ
ると、鑞付け構造ゆえに繰り返し応力に弱いとされるア
ルミ鑞付けプレートフィン熱交換器の保護の意味で発生
応力を低く抑える必要があるため、高い圧力が加わる系
には使用されていなかった。
【０００８】このため、より高圧の酸素を得たい場合
は、前加圧法ではせいぜい３．５ＭＰａ程度までの加圧
にとどめ、それ以降の昇圧を酸素圧縮機に頼っていた。
【０００９】この結果、熱交換器の応力負担は小さくな
るものの前記した酸素圧縮機を用いることの安全面、コ
スト面の不利点は残るため、この点の改善が求められて
いた。
【００１０】そこで本発明は、コスト面等で有利な前加
圧法をとりながら、熱交換器での熱応力を低下させるこ
とができ、これにより酸素を必要な圧力まで安全に昇圧
させることができる酸素の製造方法を提供するものであ
る。
【００１１】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、液体
酸素を臨界圧力以上の圧力に加圧した後、熱交換器に低
温側流体として導入し、熱交換器内で臨界温度以上まで
昇温させて取り出すものである。
【００１２】請求項２の発明は、請求項１の方法におい
て、熱交換器としてアルミ鑞付けプレートフィン熱交換
器が用いられたものである。
【００１３】請求項３の発明は、請求項１または２の方
法において、空気分離装置の精留塔で作られた液体酸素
を精留塔から取出してポンプで臨界圧力以上の圧力まで
加圧するものである。
【００１４】請求項４の発明は、請求項１乃至３のいず
れかの方法において、液体酸素を８．０４９ＭＰａ以上
に加圧するものである。
【００１５】請求項５の発明は、請求項１乃至４のいず
れかの方法において、熱交換器内での酸素流速を０．５
ｍ／ｓｅｃ〜５ｍ／ｓｅｃの範囲とするものである。
【００１６】請求項６の発明は、請求項１乃至５のいず
れかの方法において、熱交換器内の高温側流体と低温側
流体の温度差を２０゜Ｃ以下とするものである。
【００１７】請求項７の発明は、請求項１乃至６のいず
れかの方法において、負荷変動がある状態下で液体酸素
を導入するものである。
【００１８】請求項８の発明は、請求項１乃至７のいず
れかの方法において、熱交換器に導入する高温側流体と
して臨界圧以上の圧力をもった空気を用いるものであ
る。
【００１９】この方法によると、上記のように液体酸素
（酸素濃度が高い液体をいう）を臨界圧力（５．０４３
ＭＰａ）以上まで昇圧させて熱交換器（請求項２ではア
ルミ鑞付けプレートフィン熱交換器）に導入し、臨界温
度以上まで昇温させるため、昇温していく段階でいわゆ
る超臨界流体の状態となり、熱交換器内で酸素の相変化
が起こらない。
【００２０】この点を詳述すると、図２に示すように、
臨界圧力以下の低温側流体イが加温され、液体から気体
へ相変化する場合、潜熱の存在により流体温度があまり
変化しない蒸発域が存在する。
【００２１】これに対し、臨界圧力以上の低温側流体ロ
が加温される場合は、沸点・潜熱が存在せず、液体が超
臨界流体となる。この超臨界流体の状態では蒸発域がな
く、いわゆる相変化が存在しないため、高温側流体との
熱交換量とともに低温側流体の温度もなだらかに上昇す
る。
【００２２】ここで、熱交換器内の温度分布は、各流体
の温度によって決定されるため、低温側流体が臨界圧力
以下の場合は、図３に示すように低温側流体と高温側流
体の温度差ΔＴが大きいため部材の熱収縮量の差によっ
て大きな熱応力が発生し、熱交換器が破壊することがあ
る。
【００２３】一方、臨界圧力以上の流体では、図４に示
すように両流体間の温度差ΔＴが小さくて発生する熱応
力も小さいため、比較的弱い熱交換器の使用も可能とな
る。
【００２４】すなわち、コスト面等で有利な前加圧法を
とりながら、熱交換器（代表として請求項２のアルミプ
レートフィン熱交換器）の安全性を確保し、しかも必要
な高圧状態を得ることが可能となる。
【００２５】とくに、請求項４のように液体酸素を臨界
圧力を大幅に超える８．０４９ＭＰａ以上に加圧するこ
とにより、系内の圧力損失に比べて運転圧力が比較的高
いことから安定した運転が可能となるため超臨界流体の
状態がより安定し、熱交換器の応力軽減効果がより確実
なものとなる。
【００２６】また、請求項５のように熱交換器内での酸
素の流速を安全基準流速である５ｍ／ｓｅｃ以下（下限
値は０．５ｍ／ｓｅｃ）とすることにより、酸素を安全
に熱交換させることが可能になる。
【００２７】一方、請求項６のように熱交換器内の高温
側流体と低温側流体の温度差を２０゜Ｃ以下とすること
により、熱交換器に作用する応力を抑制することができ
る。
【００２８】さらに、上記のように熱交換器に相変化に
よる熱応力が作用しないことにより、請求項７のように
負荷変動（昼間と夜間のような酸素流量の変動等）があ
る状況下で使用しても、熱交換器がこれによる応力に十
分耐えうることになる。
【００２９】すなわち、比較的大きな負荷変動がある状
況下でも熱交換器の安全性を確保しながら運転を継続す
ることができる。
【００３０】この場合、加圧・加温前の液体酸素として
空気分離装置で得られた液体酸素を用いる請求項３の方
法によると、空気分離装置の中の１プロセス（内部昇圧
プロセス）として高圧酸素を得ることができるため、別
設備として構成する場合と比較して、設備コストが安く
てすむとともに、製造効率が良く、かつ、製造コストが
安くてすむ。
【００３１】また、請求項８のように、高温側流体（加
温側流体）としてたとえば空気分離装置において原料と
して必要な空気を臨界圧力以上に加圧し、圧力、流量バ
ランスを調整して用いることにより、熱交換器内の臨界
圧力以上の低温流体との温度差を極端に小さくすること
が可能となり、局部応力を極端に減少させることが可能
となる。
【００３２】
【発明の実施の形態】図１に本発明の実施形態によるプ
ロセスフローを示す。
【００３３】ここでは、空気分離装置の中の１プロセス
（内部昇圧プロセス）として高圧酸素を得るようにして
いる。
【００３４】まず、空気分離装置全体の構成と作用を簡
単に説明する。
【００３５】原料空気濾過器１で濾過されかつ原料空気
圧縮機２で必要圧力まで加圧された原料空気は、予冷器
３で予冷され、吸着装置４で水分等の不要成分を除去さ
れた後、コールドボックス内の主熱交換器５に入る。６
は再生ガス加熱器である。
【００３６】この主熱交換器５によって沸点近くまで冷
却された原料空気は、精留塔７の高圧塔（下塔）８に入
り、この高圧塔８内を上昇する間に還流液との接触によ
り次第に窒素濃度を高め、頂部では酸素含有量の少ない
窒素ガスとなって主凝縮器９に導入され、ここで液体酸
素との熱交換により凝縮し還流液として高圧塔頂部に再
度供給される。
【００３７】塔頂の液体窒素の一部は塔外に抜き出さ
れ、過冷却器１１により過冷却された後、減圧され、低
圧塔１０に供給される。
【００３８】高圧塔８の底部からは液体空気が同様に抜
き出されて過冷却された後、減圧され、低圧塔１０に供
給される。
【００３９】低圧塔１０では、高圧塔８と同様に精留作
用が行われて、塔頂部は富窒素組成、塔底部は富酸素組
成となる。
【００４０】低圧塔頂部の窒素は、ガス状態で取り出さ
れて主熱交換器５の低温側に供給され、常温まで加熱さ
れて製品窒素として取り出される。
【００４１】次に、この空気分離装置内の一つのプロセ
スである酸素製造プロセスを説明する。
【００４２】上記精留作用によって得られた酸素は低圧
塔底部から液体（富酸素液体）の状態で取り出され、ポ
ンプ１２により臨界圧力である５．０４３ＭＰａ以上ま
で加圧された後、アルミ鑞付けプレートフィン熱交換器
である酸素熱交換器１３に導入される。
【００４３】酸素熱交換器１３には、高温側流体として
原料空気の一部がブースタコンプレッサ１４により所定
の圧力（熱交換器１３での熱交換作用に適した圧力。好
ましくは臨界圧力以上の圧力）に加圧されて供給され、
上記のように臨界圧力以上の圧力に加圧された高圧酸素
とこの原料空気との間での熱交換作用が行われる。
【００４４】高圧酸素は、この昇温の過程で臨界温度以
上まで昇温されて超臨界流体の状態となり、酸素熱交換
器１３から高圧の製品酸素として取り出される。
【００４５】このように、精留塔７で作られた液体酸素
を臨界圧力以上まで昇圧させて酸素熱交換器１３に導入
し、昇温させて超臨界流体の状態とするため、前記した
ようにこの熱交換器１３内で酸素の相変化が起こらな
い。
【００４６】従って、この相変化による応力変動がなく
なるため、熱交換器１３の応力負担を軽減し、熱交換器
１３が他の原因（昼夜間での流量変化等）による負荷変
動に十分耐え得ることとなる。
【００４７】ここで、図３，４で概念的に示した温度と
熱交換量の関係をさらに具体的に説明する。
【００４８】本発明者の実験によると、液体酸素を臨界
圧力以下（０．６１ＭＰａ）の状態で熱交換器内に導入
した場合は、図５，６に示すように低温側流体（△点）
の蒸発域の存在から高温側流体（○点）との温度差が大
きくなり、最大で約４０゜Ｃにも達した。
【００４９】これに対し、臨界圧力以上の８．１４ＭＰ
ａに加圧した酸素の熱交換では、図７，８に示すように
流体間温度差が最大でも１２゜Ｃとなり、低圧の場合の
約３分の１程度まで小さくすることができた。
【００５０】
【発明の効果】上記のように本発明によるときは、液体
酸素を臨界圧力（５．０４３ＭＰａ）以上まで昇圧させ
て熱交換器（最も好適な例として請求項２のアルミ鑞付
けプレートフィン熱交換器）に導入し、臨界温度以上ま
で昇温させるため、昇温していく段階でいわゆる超臨界
流体の状態となり、熱交換器内で酸素の相変化が起こら
ず、熱交換器の応力負担を軽減することができる。
【００５１】すなわち、コスト面等で有利な前加圧法を
とりながら、熱交換器の安全性を確保し、しかも必要な
高圧状態を得ることが可能となる。
【００５２】とくに、請求項４の発明のように液体酸素
を臨界圧力を大幅に超える８．０４９ＭＰａ以上に加圧
することにより、系内の圧力損失に比べて運転圧力が比
較的高いことから安定した運転が可能となるため超臨界
流体の状態がより安定し、熱交換器の応力軽減効果がよ
り確実なものとなる。
【００５３】また、請求項５の発明のように熱交換器内
での酸素の流速を安全基準流速である５ｍ／ｓｅｃ以下
（下限値は０．５ｍ／ｓｅｃ）とすることにより、酸素
を安全に熱交換させることが可能になる。
【００５４】一方、請求項６のように熱交換器内の高温
側流体と低温側流体の温度差を２０゜Ｃ以下とすること
により、熱交換器に作用する応力を抑制することができ
る。
【００５５】さらに、上記のように熱交換器に相変化に
よる熱応力が作用しないことにより、請求項７の発明の
ように負荷変動（昼間と夜間のような酸素流量の変動
等）がある状況下で使用しても、熱交換器がこれによる
応力に十分耐えうることになる。
【００５６】すなわち、比較的大きな負荷変動がある状
況下でも熱交換器の安全性を確保しながら運転を継続す
ることができる。
【００５７】この場合、加圧・加温前の液体酸素として
空気分離装置で得られた液体酸素を用いる請求項３の発
明によると、空気分離装置の中の１プロセス（内部昇圧
プロセス）として高圧酸素を得ることができるため、別
設備として構成する場合と比較して、設備コストが安く
てすむとともに、製造効率が良く、かつ、製造コストが
安くてすむ。
【００５８】また、請求項８の発明のように、高温側流
体としてたとえば空気分離装置において原料として必要
な空気を超臨界圧力以上に加圧し、圧力、流量バランス
を調整して用いることにより、熱交換器内の臨界圧力以
上の低温流体との温度差を極端に小さくすることが可能
となり、局部応力を極端に減少させることが可能とな
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が実施される空気分離装置のフローシー
トである。
【図２】熱交換器内での流体の温度と圧力の関係を示す
図である。
【図３】低温側流体が臨界圧力以下の場合における熱交
換器内での流体温度と熱交換量の関係を概念的に示す図
である。
【図４】低温側流体が臨界圧力以上の場合における熱交
換器内での流体温度と熱交換量の関係を概念的に示す図
である。
【図５】酸素圧力が０．６１ＭＰａの場合における流体
温度と熱交換量の関係を具体的に示す図である。
【図６】酸素圧力が０．６１ＭＰａの場合における流体
温度差と熱交換量の関係を具体的に示す図である。
【図７】酸素圧力が８．１４ＭＰａの場合における流体
温度と熱交換量の関係を具体的に示す図である。
【図８】酸素圧力が８．１４ＭＰａの場合における流体
温度差と熱交換量の関係を具体的に示す図である。
【符号の説明】
７ 空気分離装置の精留塔 ８ 精留塔の高圧塔 １０ 同低圧塔 １２ 精留塔で作られた液体酸素を臨界圧以上まで加圧
するポンプ １３ 加圧された酸素を加温する熱交換器（アルミ鑞付
けプレートフィン熱交換器）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野一色 公二 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目３番１号 株式会社神戸製鋼所高砂製作所内 (72)発明者 那谷 修平 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目３番１号 株式会社神戸製鋼所高砂製作所内 Ｆターム(参考） 4D047 AA08 AB01 BA07 CA04 DA06 DA17 EA04

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 液体酸素を臨界圧力以上の圧力に加圧し
    た後、熱交換器に低温側流体として導入し、熱交換器内
    で臨界温度以上まで昇温させて取り出すことを特徴とす
    る酸素の製造方法。
  2. 【請求項２】 熱交換器としてアルミ鑞付けプレートフ
    ィン熱交換器が用いられたことを特徴とする請求項１記
    載の酸素の製造方法。
  3. 【請求項３】 空気分離装置の精留塔で作られた液体酸
    素を精留塔から取出してポンプで臨界圧力以上の圧力ま
    で加圧することを特徴とする請求項１または２記載の酸
    素の製造方法。
  4. 【請求項４】 液体酸素を８．０４９ＭＰａ以上に加圧
    することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載
    の酸素の製造方法。
  5. 【請求項５】 熱交換器内での酸素流速を０．５ｍ／ｓ
    ｅｃ〜５ｍ／ｓｅｃの範囲とすることを特徴とする請求
    項１乃至４のいずれかに記載の酸素の製造方法。
  6. 【請求項６】 熱交換器内の高温側流体と低温側流体の
    温度差を２０゜Ｃ以下とすることを特徴とする請求項１
    乃至５のいずれかに記載の酸素の製造方法。
  7. 【請求項７】 負荷変動がある状態下で液体酸素を導入
    することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載
    の酸素の製造方法。
  8. 【請求項８】 熱交換器に導入する高温側流体として臨
    界圧以上の圧力をもった空気を用いることを特徴とする
    請求項１乃至７のいずれかに記載の酸素の製造方法。
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