JP2006255495A

JP2006255495A - 液化混合ガスの製造方法

Info

Publication number: JP2006255495A
Application number: JP2005072305A
Authority: JP
Inventors: Yuji Harada; 裕司原田; Tadashi Sato; 忠史佐藤
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2005-03-15
Filing date: 2005-03-15
Publication date: 2006-09-28

Abstract

【課題】液化ガスの密度に着目して、余分な機器設備を必要とせずに、短時間で均一な液化混合ガスを製造することができる液化混合ガスの製造方法を提供する。
【解決手段】液密度が異なる複数の液化ガスを容器内で混合して液化混合ガスを製造するにあたり、容器内の液化ガスの液密度に対して液密度が大きな液化ガスは上方から導入し、容器内の液化ガスの液密度より液密度が小さな液化ガスは下方から導入し、液密度が異なる二種類の液化ガスを同時に容器内に導入するときには液密度の大きい液化ガスを上方から導入するとともに液密度の小さい液化ガスを下方から導入する。
【選択図】図１

Description

本発明は、液化混合ガスの製造方法に関し、詳しくは、液密度が異なる複数の液化ガスを容器内で混合して所定組成の液化混合ガスを製造する方法に関する。

混合ガスの用途としては、アルゴン−酸素の混合ガスを溶接用のガスとして用いたり、酸素−窒素の混合ガスを人工的なクリーンな空気として用いたりすることが知られている。特に、これらの混合ガスが工業的に使用される場合には、大量の混合ガスを供給可能な状態としておくことが必要となる。

一般に、ガスを大量に供給する場合、ガスを液化することにより液化ガスの状態として断熱容器内に貯蔵し、必要量を断熱容器内から取り出し、蒸発器で気化させて使用する。使用ガスが混合ガスの場合、断熱容器内の液化ガスを均一に混合しておく必要がある。

複数の液化ガスを均一に混合する方法として、例えば、異なる液化ガスを断熱容器内にそれぞれ供給し、ポンプ等で強制的に混合することにより、濃度（組成）が均一な液化混合ガスとすることが行われている。また、まず、沸点が低い液化ガスを断熱容器に充填した後、この液化ガスの中に沸点の高いガスをバブリングし、均一とすると共に後に入れた液化ガスを液化し、液化混合ガスとすることが行われている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平６−２２６０７４号公報

しかし、従来の液化混合ガスの製造方法では、循環用のポンプが必要となったり、バブリングするための噴射管が必要となったりする。そのため、余分な機器、設備が必要となる。さらに、液化混合ガスを貯留する断熱容器は、真空等の断熱層を備えた構造であるため、これらの機器を設けるために施工に手間がかかり、コストアップになるという問題がある。また、これらの機器を駆動するために、新たな動力が必要となるという問題もある。

そこで本発明は、液化ガスの密度に着目して、余分な機器設備を必要とせずに、短時間で均一な液化混合ガスを製造することができる液化混合ガスの製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の液化混合ガスの製造方法は、液密度が異なる複数の液化ガスを容器内に導入し、混合して液化混合ガスを製造する方法において、前記容器内の液化ガスの液密度に対して次に導入する液化ガスの液密度が大きいときには、次に導入する液化ガスを前記容器の上方から容器内に導入することを特徴としている。

また、前記容器内の液化ガスの液密度に対して次に導入する液化ガスの液密度が小さいときには、次に導入する液化ガスを前記容器の下方から容器内に導入することを特徴としている。

さらに、液密度が異なる二種類の液化ガスを同時に前記容器内に導入するときには、液密度の大きい液化ガスを前記容器の上方から容器内に導入するとともに、液密度の小さい液化ガスを前記容器の下方から容器内に導入することを特徴としている。

本発明の液化混合ガスの製造方法によれば、液化ガスを導入混合する断熱容器に新たな機器や設備を設ける必要がないので、安価な装置とすることができる。また、運転時にも特別に機器や装置を稼動する必要もないので、ランニングコストも低減することができる。

図１は、本発明の液化混合ガスの製造方法を、一般的に使用されている液化ガス貯蔵用の断熱容器に適用した形態例を示す系統図である。

まず、断熱容器１１は、金属製の内容器１２と、該内容器１２の外部全体を覆う金属製の外容器１３とから構成され、両容器１２，１３の間にはパーライト等の断熱材を充填するとともに真空引きして断熱構造としている。この断熱容器１１には、液化ガスを容器上部から容器内に導入するための上部導入経路１４と、液化ガスを容器下部から容器内に導入するための下部導入経路１５とが設けられている。

さらに、断熱容器１１には、液化ガスの使用によって断熱容器１１内の圧力が低くなった際に、断熱容器１１内の液化ガスの一部を容器下部から抜き出し、抜き出した液化ガスを加圧蒸発器１６で大気と熱交換させてガス化し、このガスを加圧経路１７から容器上部の気相部に戻して断熱容器１１内の圧力を上昇させるための加圧系統が設けられている。なお、加圧系統において、断熱容器１１内の液化ガスの一部を容器下部から抜き出す下部液経路は、前記下部導入経路１５を利用し、途中で加圧蒸発器１６に向けて分岐させている。断熱容器１１内の圧力は、加圧調整弁１８によって自動的に所定圧力に調整される。

また、断熱容器１１内の貯蔵量（液面高さ）及び圧力を検出するための検出系統として、断熱容器１１の上部に接続した上部ガス経路１９と、断熱容器１１の下部に接続した下部液経路２０と、これらの経路１９，２０に圧力計元弁２１、液面計元弁２２及び液面計均圧弁２３を介して設けられた液面計２４及び圧力計２５とが設けられている。

さらに、断熱容器１１内の最大液量を規制するための系統として、検液弁２６を備えた検液経路２７が設けられている。検液経路２７の先端は、内容器１２の内部に所定量挿入されており、内容器１２内の液化ガス量が内容器容量の９０％以上を超えると容器内の液化ガスを検液弁２６を通して放出し、過充填から断熱容器１１を保護するように形成されている。

断熱容器１１からの液化ガスの供給は、液化ガス供給経路２８によって行われる。この液化ガス供給経路２８は、内容器１２内下部に挿入された液化ガス吸入部２９と、液面最上位より上方に逆Ｕ字状に立ち上がったＵ字管３０と、供給弁３１とを備えており、継手３２に接続した配管から液化ガスを取り出すように形成されている。

なお、本形態例に示す前記断熱容器１１には、充填後の液化混合ガスの状態を確認するため、分析計接続口３３及び温度検出器３４がそれぞれ４箇所ずつに設けられている。また、断熱容器１１の安全を図るため、あるいは、安定した液化ガスの充填や供給を行うために各種経路及び機器が設けられているが、これらについての詳細な説明は省略する。

前記上部導入経路１４及び下部導入経路１５に液化ガスを導入する部分には、上部充填口逆止弁３５、下部充填口逆止弁３６、ブロー弁３７，３８、上部充填弁３９、下部充填弁４０及び上部下部切替弁４１が設けられている。通常は、上部充填口逆止弁３５に継手４２を介して接続した配管４３からは上部導入経路１４に液化ガスを導入し、下部充填口逆止弁３６に継手４４を介して接続した配管４５からは下部導入経路１５に液化ガスを導入する。また、下部導入経路１５を用いて充填する際、上部下部切替弁４１を閉とすることにより、上部導入経路１４をブロー経路とすることができる。

一般的に、断熱容器１１に液化ガスを導入充填する際には、断熱容器１１内の圧力を確認しながら上部導入経路１４及び下部導入経路１５の両方を使用して行うようにしている。通常は、下部導入経路１５から液化ガスを断熱容器１１内に充填するが、断熱容器１１内の圧力が高くなっているときには、上部導入経路１４を通して液化ガスを充填することにより、気相中に存在するガスを冷却液化して断熱容器１１内の圧力を低くすることができる。

このように形成した液化混合ガス製造装置を使用して液密度が異なる２種類の液化ガスを混合した液化混合ガスを製造する際、先に断熱容器１１内に充填する液化ガスは、液密度に関係なく任意に選択することができ、例えば、常温状態の断熱容器１１を液化ガス温度に冷却するときには、安価な液化ガスを先に充填するようにするなど、そのときの状況に応じて選択できる。一般的には、量の少ない液化ガスを先に容器内に導入することが好ましい。

そして、先に断熱容器１１内に導入された液化ガスの液密度に対して、次に導入する液化ガスの液密度が大きいときには、次に導入する液化ガスを前記断熱容器１１の上方に設けた上部導入経路１４から容器内に導入する。これにより、容器上方から容器内に流入した液密度の大きな液化ガスが、先に容器内に充填されていた液密度の小さな液化ガス内に沈み込むような状態となり、両液化ガスに流動が生じるので、両者を容易かつ確実に混合させることができる。

また、先に断熱容器１１内に導入された液化ガスの液密度に対して、次に導入する液化ガスの液密度が小さいときには、次に導入する液化ガスを前記断熱容器１１の下方に設けた下部導入経路１５から容器内に導入する。これにより、容器下方から容器内に流入した液密度の小さな液化ガスが、先に容器内に充填されていた液密度の大きな液化ガス内を上昇することによって両液化ガスに流動が生じるので、液密度が異なる複数種類の液化ガスを容易かつ確実に混合させることができる。

さらに、液密度が異なる二種類の液化ガスを同時に前記断熱容器１１内に導入するときには、液密度の大きい液化ガスを上部導入経路１４を使用して断熱容器１１の上方から導入するとともに、液密度の小さい液化ガスを下部導入経路１５を使用して断熱容器１１の下方から容器内に導入する。これにより、容器下方から容器内に流入する液密度の小さな液化ガスと、容器上方から容器内に流入する液密度の大きな液化ガスとが混合する際に、両者の液密度差によって流動が生じるので、液密度が異なる液化ガスを容易かつ確実に混合させることができる。また、液密度が異なる液化ガスを交互に断熱容器１１内に導入するようにしてもよい。

図２は本発明の液化混合ガスの製造方法を、一般的に使用されているローリーの貯槽に適用した形態例を示す系統図である。ローリーに搭載されている断熱容器である貯槽６１も、基本的に前記液化ガス貯蔵用の断熱容器と同じ構造を有しており、金属製の内容器６２と外容器６３との間を真空断熱構造としている。

内容器６２の下部には、貯槽６１の下部から液化ガスを導入したり、液化ガスを外部へ供給したりする際に使用する下部導入経路６４と、加圧系統の加圧蒸発器６５に接続する下部液経路６６と、検出系統の下部液経路６７とが設けられている。また、内容器６２の上部には、貯槽６１の上部から液化ガスを導入するための上部導入経路６８と、加圧系統の加圧蒸発器６５に接続する加圧経路６９と、最大液量を規制する検液経路７０と、検出系統の上部ガス経路７１とが設けられている。

下部導入経路６４と上部導入経路６８とは、共通の液導入口７２から分岐しており、導入弁７３，７４を開閉することにより、貯槽６１内に導入する液化ガスを下部又は上部からに切り替えることができるように形成されている。また、導入弁７３，７４を両方開いて上下同時に並行して液化ガスを導入することも可能である。

下部導入経路６４から分岐した液化ガス供給経路７５には、液化ガスを圧送するためのポンプ７６が設けられている。また、検出系統の下部液経路６７と上部ガス経路７１とは、複数の弁を介して液面計７７及び圧力計７８に接続している。

このように形成したローリーの貯槽６１内に複数種類の液化ガスを導入して液化混合ガスを製造する場合も、前記同様に、液密度が小さな液化ガスを下部導入経路６４から、液密度が大きな液化ガスを上部導入経路６８から、それぞれ導入することにより、両者を効率よく混合状態とすることができる。

なお、容器下部から液化ガスを導入する経路は、容器の最下端に設けることが好ましいが、容器上部から液化ガスを導入する経路は、容器の最上端に設ける必要は必ずしもない。一般に混合ガスの混合比は用途に応じて決まっており、先に充填する液化ガス量は決まっているから、その最大量の液面より上部に配置すればよい。

また、ポンプを使用して容器内の液化ガスを強制的に循環させれば、より短時間で均一に混合することが可能であるが、ポンプ駆動に伴う動力費が必要で、新たな熱の浸入に伴う液化ガスの蒸発を生じるため、短時間で混合する必要があるときのみに用いるのが好ましい。さらに、定置式の断熱容器やローリーの貯槽だけでなく、可搬式の断熱容器に本発明を適用することも可能である。

なお、ローリーに液化ガスを導入したり、他のローリーから液化ガスを抜き出す際には、ローリーの重量を台貫を用いて測定することにより液化ガス量としてもよく、ローリーが貯槽重量を測定する重量計を備えている場合は、その重量計を用いて液化ガス量を測定してもよい。また、重量を測定するのに代えて、液面計や流量計を用いて液化ガス量を測定することもできる。さらに、可搬式の断熱容器の場合は、ロードセル等の重量計を用いて液化ガス量を測定することができる。

第１形態例において、空の断熱容器１１を使用して酸素（２０％）と窒素（８０％）の液化混合ガスを製造する実験を行った。沸点における酸素の液密度は１．１４１ｋｇ／Ｌであり、窒素の液密度は０．８０９ｋｇ／Ｌである。

まず、液化窒素を充填した可搬式容器の液取出配管４３を継手４２を介して上部充填口逆止弁３５に接続し、上部導入経路１４から断熱容器１１内に８０．２ｋｇの液化窒素を導入した。続いて、液化酸素を充填した可搬式容器の液取出配管４５を継手４４を介して下部充填口逆止弁３６に接続し、下部導入経路１５から断熱容器１１内に２５．１ｋｇの液化酸素を導入した。このときの断熱容器１１内の液面高さは約７５％であり、圧力は０．４ＭＰａ（ゲージ圧、以下同じ）であった。

２４時間後に、分析計接続口３３に接続した分析計により、断熱容器１１内の気相部、液相上部、液相下部の組成をそれぞれ分析したところ、酸素濃度が、気相部１．２％、液相上部３．７％、液相下部９８．７％であり、ほとんど混合されていないことがわかった。

次に、同じ空の断熱容器１１を使用して、最初に上部導入経路１４から断熱容器１１内に２５．０ｋｇの液化酸素を導入した後、下部導入経路１５から断熱容器１１内に８１．０ｋｇの液化窒素を導入した。このときの断熱容器１１内の液面高さは約７５％であり、圧力は０．４ＭＰａであった。

２４時間後に、分析計接続口３３に接続した分析計により、断熱容器１１内の気相部、液相上部、液相下部の組成をそれぞれ分析したところ、酸素濃度が、気相部９．４％、液相上部１９．８％、液相下部１９．８％であり、均一に混合されていることが分かった。また、その後に分析した結果を見ても組成は安定した状態を保っていた。

第２形態例において、ローリーの貯槽６１内にアルゴン（８０％）と酸素（２０％）の液化混合ガスを製造する実験を行った。沸点におけるアルゴンの液密度は１．３９８ｋｇ／Ｌである。

まず、貯槽６１内に残っているアルゴン−酸素の液化混合ガス１１００ｋｇの酸素濃度を測定したところ、１５．０ｖｏｌ％であった。計算上、酸素残液量は１３６．２ｋｇ、アルゴン残液量は９６３．８ｋｇとなる。この状態でアルゴンを２８００ｋｇ充填した際に、酸素濃度を２０．０ｖｏｌ％とするために必要な酸素量は６１７．６ｋｇとなる。

ローリーを台貫に載せた状態で、液導入口７２に別の液化アルゴンを搭載したローリーからの継手７２を接続し、アルゴンの追加重量が２８００ｋｇとなるまで貯槽６１内に導入した。続いて、精度よく測定するため、液化酸素を貯蔵した可搬式断熱容器をロードセル上に載せて配管を液導入口７２に接続し、導入弁７３を閉じて導入弁７４を開き、上部導入経路６８から液化酸素を６１７．６ｋｇ導入した。このときの貯槽６１内の圧力は０．５ＭＰａであった。２４時間後、貯槽６１の気相部、液相上部、液相下部の酸素濃度を測定したところ、酸素濃度は、気相部６０．５％、液相上部５６．７％、液相下部１７．８％であり、ほとんど混合されていなかった。

次に、同じ条件で、最初に液化酸素を６１７．６ｋｇ充填した後、上部導入経路６８から液化アルゴンを２８００ｋｇ導入した。このときの貯槽６１内の圧力は０．４５ＭＰａであった。液化アルゴン導入直後の液相の酸素濃度は２３．６％であったが、４時間後に貯槽６１内の気相部、液相部の濃度をそれぞれ測定したところ、酸素濃度は、気相部１８．９％、液相部１９．８％となり、均一に混合した状態となっていた。２時間毎に２４時間測定したが、小数点第１位の値が異なるだけであり、組成は安定していた。また、本実施例は、ローリーの貯槽６１内で液化混合ガスを製造したが、ローリーは移動とともに発生する振動、揺れ等により、混合が促進され好ましい。

第１形態例において、アルゴン（８５％）、酸素（１５％）の液化混合ガスを製造する実験を行った。まず、断熱容器１１内に残っているアルゴン−酸素の液化混合ガス８００ｋｇの酸素濃度を測定したところ、１５．８ｖｏｌ％であった。計算上、酸素残液量は１０４．５３ｋｇ、アルゴン残液量は６９５．４７ｋｇとなる。なお、液化混合ガスの量は断熱容器１１に付属している液面計から求めた。このとき、アルゴンを３０００ｋｇ充填した際に、酸素濃度を１５．０ｖｏｌ％とするために必要な酸素量は４１７．８３ｋｇとなる。

まず、液化アルゴンを下部導入経路１５から、液化酸素を上部導入経路１４から、それぞれ導入する状態とし、液化アルゴンの充填量は台貫の指示値、液化酸素の充填量はロードセルの指示値にてそれぞれ確認しつつ、液化アルゴンの導入量が３０００ｋｇとなるまで、また、液化酸素の導入量が４１７．５２ｋｇとなるまで、両液化ガスを並行して断熱容器１１内に導入した。アルゴン及び酸素の供給圧を略同圧とすることにより、また、上部充填弁３９及び下部充填弁４０の開度を調整することにより、並行して導入することが可能となる。このときの断熱容器１１内の圧力は０．５ＭＰａＧであった。２４時間後に断熱容器１１内の気相部、液相上部、液相下部の酸素濃度を測定したところ、酸素濃度は、気相部５９．８％、液相上部５４．６％、液相下部１６．０％であり、ほとんど混合されていなかった。

次に、液化アルゴンを上部導入経路１４から、液化酸素を下部導入経路１５から、それぞれ導入する状態とし、液化アルゴンを３０００ｋｇ、液化酸素を４１７．８３ｋｇ、それぞれ流量を調整しながら並行して断熱容器１１内に導入した。導入直後の液相の酸素濃度は１８．６％であったが、４時間後に断熱容器１１内の気相部及び液相部の酸素濃度をそれぞれ測定したところ、気相部１５．３％、液相部１５．１％であり、均一な混合がなされていた。２時間ごとに２４時間測定したが小数点第１位の値が異なるだけであり、濃度は安定していた。

本発明の液化混合ガスの製造方法を液化ガス貯蔵用断熱容器に適用した形態例を示す系統図である。本発明の液化混合ガスの製造方法をローリーの貯槽に適用した形態例を示す系統図である。

符号の説明

１１…断熱容器、１２…内容器、１３…外容器、１４…上部導入経路、１５…下部導入経路、１６…加圧蒸発器、１７…加圧経路、１８…加圧調整弁、１９…上部ガス経路、２０…下部液経路、２１…圧力計元弁、２２…液面計元弁、２３…液面計均圧弁、２４…液面計、２５…圧力計、２６…検液弁、２７…検液経路、２８…液化ガス供給経路、２９…液化ガス吸入部、３０…Ｕ字管、３１…供給弁、３２…継手、３３…分析計接続口、３４…温度検出器、３５…上部充填口逆止弁、３６…下部充填口逆止弁、３７，３８…ブロー弁、３９…上部充填弁、４０…下部充填弁、４１…上部下部切替弁、４２…継手、４３…配管、４４…継手、４５…配管、６１…貯槽、６２…内容器、６３…外容器、６４…下部導入経路、６５…加圧蒸発器、６６，６７…下部液経路、６８…上部導入経路、６９…加圧経路、７０…検液経路、７１…上部ガス経路、７２…液導入口、７３，７４…導入弁、７５…液化ガス供給経路、７６…ポンプ、７７…液面計、７８…圧力計、

Claims

液密度が異なる複数の液化ガスを容器内に導入し、混合して液化混合ガスを製造する方法において、前記容器内の液化ガスの液密度に対して次に導入する液化ガスの液密度が大きいときには、次に導入する液化ガスを前記容器の上方から容器内に導入することを特徴とする液化混合ガスの製造方法。
液密度が異なる複数の液化ガスを容器内に導入し、混合して液化混合ガスを製造する方法において、前記容器内の液化ガスの液密度に対して次に導入する液化ガスの液密度が小さいときには、次に導入する液化ガスを前記容器の下方から容器内に導入することを特徴とする液化混合ガスの製造方法。
液密度が異なる複数の液化ガスを容器内に導入し、混合して液化混合ガスを製造する方法において、液密度が異なる二種類の液化ガスを同時に前記容器内に導入するときには、液密度の大きい液化ガスを前記容器の上方から容器内に導入するとともに、液密度の小さい液化ガスを前記容器の下方から容器内に導入することを特徴とする液化混合ガスの製造方法。