JP2008057804A - 精製アルゴンの製法 - Google Patents

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Abstract

【課題】定期整備時に運転停止していた精製アルゴン塔を定期整備後に運転再開する際にその立上時間を短縮して生産時間を早めるようにした精製アルゴンの製法を提供する。
【解決手段】アルゴンガスを主成分として含有する原料ガスを精製アルゴン塔４０に導入してここで精留分離しアルゴンガスを液化して底部に溜め、この液化アルゴンを上記底部から取り出してアルゴンタンク４７に貯蔵する精製アルゴンの製法であり、精製アルゴン塔４０の運転停止時に、アルゴンタンク４７内に溜まるアルゴンガスを精製アルゴン塔４０に導入することにより、この精製アルゴン塔４０の内圧を大気圧より大きな圧力に保持するとともに、精製アルゴン塔４０のアルゴン純度を高純度に保ち、精製アルゴン塔４０の運転立上時間を短縮可能にしている。
【選択図】図２

Description

本発明は、定期整備等のために運転を停止した精製アルゴン塔の運転を定期整備後に再開する際に、その立上時間を短縮するようにした精製アルゴンの製法に関するものである。
従来から、アルゴンを空気中から精製分離して製造する方法として、複式精留塔等を有する低温空気分離装置を用い、その複式精留塔の低圧精留塔で生成した酸素ガス（アルゴン濃度１０〜１２ｖｏｌ％程度）を取り出して粗アルゴン塔，精製アルゴン塔等に導入し、これら両アルゴン塔等で精製分離して高純度の液化アルゴンを製造することがよく行われている。このようにして製造された液化アルゴンはアルゴンタンクに貯蔵され、このアルゴンタンクからタンクローリー車に搭載されてユーザーへ供給される。
このような精製アルゴンの製造装置として、図３に示すようなアルゴン精製装置が提案されている。このアルゴン精製装置では、空気分離装置７１の上塔７１ａ中部からＯ2 ，Ａｒと微量のＮ2 の混合ガスを導出し粗アルゴン塔７２に導入してここで精留分離し、この精留分離により得られた粗アルゴンガスを熱交換器７３，圧縮機７４，変成アルゴン装置７５（脱Ｏ塔７５ａと脱水塔７５ｂとからなる），熱交換器７３を通し精製アルゴン塔７６に導入してここで精留分離し、この精留分離により得られた液化純アルゴンを精製アルゴン塔７６下部から取り出すようにしている（例えば、特許文献１参照）。通常、精製アルゴン塔７６下部から取り出した液化純アルゴンは、上記したようにアルゴンタンク（図示せず）に貯留される。図において、７１ｂは空気分離装置７１の下塔である。
また、毎年または隔年の定期整備の際には、装置の運転を停止し、装置の各部を点検，整備することが行われる。このとき、精製アルゴン塔７６においては、その内部の冷却をストップするため、底部に溜まる液化純アルゴンは全て気化し、放出配管（図示せず）等により大気中に放出されるが、この放出中に大気中の酸素，メタン等が放出配管等を通って精製アルゴン塔７６に混入しないように、精製アルゴン塔７６内の圧力を大気圧より高い圧力に保持しておく必要がある。
そこで、装置停止中は、窒素ガスを精製アルゴン塔７６に導入することで、精製アルゴン塔７６内の圧力を大気圧より高い圧力に保持することが行われている。一方、アルゴンタンクにおいては、外部熱侵入による圧力上昇を防止するため液化アルゴンの気化ガスを大気中に放出していた。
そして、装置を立上げる場合には、精製アルゴン塔７６より先に立上げが完了している空気分離装置７１，粗アルゴン塔７２，熱交換器７３，圧縮機７４，変成アルゴン装置７５から精製アルゴン塔７６に導入される高純度アルゴンガスで、精製アルゴン塔７６内の窒素ガスを徐々に大気中に追い出しながら、徐々に精製アルゴン塔７６内を高純度アルゴンガス雰囲気に置換するようにしている。
特開昭６２−２６８９８０号公報
しかしながら、定期整備後の精製アルゴン塔７６の運転立上げに際しては、精製アルゴン塔７６内の窒素ガスを高純度アルゴンガスで追い出して高純度アルゴンガス雰囲気に置換しなければならず、この置換作業に約２０時間を要するうえ、この置換に要する高純度アルゴンガスが無駄であり、生産時間を早めることが急務となっている。
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、定期整備時に運転停止していた精製アルゴン塔を定期整備後に運転再開する際に、その立上時間を短縮して生産時間を早めるようにした精製アルゴンの製法の提供をその目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の精製アルゴンの製法は、アルゴンガスを主成分として含有する原料ガスを精製アルゴン塔に導入して精留分離しアルゴンガスを液化して底部に溜め、この液化アルゴンを上記底部から取り出してアルゴンタンクに貯蔵する精製アルゴンの製法であって、精製アルゴン塔の運転停止時に、アルゴンタンク内に溜まるアルゴンガスを精製アルゴン塔に導入することにより、この精製アルゴン塔の内圧を大気圧より大きな圧力に保持するとともに、精製アルゴン塔のアルゴン濃度を高濃度に保ち、精製アルゴン塔の運転立上時間を短縮可能にしたという構成をとる。
すなわち、本発明の精製アルゴンの製法は、従来は精製アルゴン塔の運転停止時に大気中に放出していたアルゴンタンク内のアルゴンガスを、精製アルゴン塔に導入し、この導入により、精製アルゴン塔の内圧を大気圧より大きな圧力に保持することができ、かつ精製アルゴン塔のアルゴン濃度を高濃度に保つことができる。したがって、上記運転停止の終了時点でも精製アルゴン塔内は高濃度アルゴンガス雰囲気であり、これにより、従来の窒素ガスから高濃度アルゴンガスに置換する必要がなくなり、精製アルゴン塔の運転立上時間を短縮することができる。なお、本発明において、「精製アルゴン塔の運転立上時間」とは、精製アルゴン塔より先に運転立上げが完了している粗アルゴン塔等の原料ガス製造手段から原料ガスを精製アルゴン塔に導入開始後、精製アルゴン塔で製造した液化アルゴンをアルゴンタンクに供給開始するまでの時間である。
つぎに、本発明の実施の形態を図面にもとづいて詳しく説明する。ただし、本発明は、この実施の形態に限定されるわけではない。
図１は本発明の精製アルゴンの製法に用いる精製アルゴンの製造装置の一実施の形態を示している。この実施の形態では、上記製造装置は、原料空気を精製分離して窒素，酸素およびアルゴンを生成する従来公知の低温空気分離装置１を用い、この低温空気分離装置１で生成したアルゴンをさらに精製分離して高純度液化アルゴンを製造するアルゴン精製装置２（図２参照）を備えている。
まず、上記低温空気分離装置１を図１に基づいて説明する。図１において、３は外部から取り入れた原料空気を圧縮する原料空気圧縮機であり、４ａ，４ｂは上記原料空気圧縮機３を経た原料空気から水分および炭酸ガスを吸着除去する２個１組の吸着塔であり、５は主熱交換器であり、上記吸着塔４ａ，４ｂを経由した原料空気の大部分が第１供給パイプ６を経て送り込まれるとともに、原料空気の残部が第２供給パイプ７，圧縮機８を経て送り込まれ、後述する窒素ガス，酸素ガス，排ガスとの熱交換作用により低温に（約−１７５℃程度に）冷却される。９は膨張タービンであり、主熱交換器５を経由した原料空気の残部を導入して寒冷を発生させこの寒冷を低圧精留塔１２に送り込む作用をする。
１０は複式精留方式の精留塔（複式精留塔）であり、高圧精留塔１１と、この高圧精留塔１１の上側に配設される低圧精留塔１２とで構成されている。上記高圧精留塔１１では、主熱交換器５により冷却され高圧精留塔１１の下部から送り込まれた原料空気が高圧精留塔１１の頂部から降下する液化窒素と気液接触され、原料空気中の高沸点成分（酸素）が液化されて液体空気１３（酸素濃度約３５ｖｏｌ％）として底部に溜まり、低沸点成分（窒素）が気体状態および／または液体状態で頂部から取り出される。
１４は上記高圧精留塔１１の頂部から取り出した窒素ガスを凝縮器１５に送り込む還流液パイプであり、この還流液パイプ１４で凝縮器１５に送り込まれた窒素ガスは凝縮器１５で液化され、この液化窒素の一部が還流液パイプ１６を経て高圧精留塔１１の頂部に還流液として還流されるとともに、残部が供給パイプ１７，過冷却器１８を経て低圧精留塔１２の頂部に供給される。
２０は上記高圧精留塔１１の底部に溜まる液体空気１３を気液混合状態で低圧精留塔１２の精留棚部１２ａに送り込む膨脹弁２０ａ付き取出パイプである。そして、低圧精留塔１２でも、高圧精留塔１１と同様に気液接触が行われ、液体空気１３中の高沸点成分（酸素）が液化されて液化酸素２１として底部に溜まり、低沸点成分（窒素）が気体状態で頂部から取り出され、中間部（アルゴンが濃縮されている部位）から（アルゴンガスが高い濃度で含まれる）酸素ガス（アルゴン濃度約１０〜１２ｖｏｌ％で、残りは殆ど酸素ガスで、わずかに窒素ガスが含まれている）が取り出される。
２２は上記低圧精留塔１２の頂部から窒素ガスを取り出す取出パイプであり、窒素ガスを過冷却器１８，主熱交換器９に通して常温まで加温し、製品窒素ガス取出パイプ２３に導入する。２４は上記低圧精留塔１２の液化酸素２１の気相部から酸素ガスを取り出す酸素ガス取出パイプであり、酸素ガスを主熱交換器５に通して常温まで加温し、製品酸素ガス取出パイプ２５に導入する。２６はコールドボックスである。
つぎに、上記アルゴン精製装置２を図２に基づいて説明する。図２において、３０は内部に導入される（アルゴンを高い濃度で含んだ）酸素ガスをアルゴンガスと液化酸素とに精留分離する粗アルゴン塔であり、上記低圧精留塔１２の中間部から延びるガス導入パイプ３１によって、上記低圧精留塔１２の酸素ガスが送り込まれる。
３２は粗アルゴン塔３０の頂部に配設された凝縮部であり、その一端部が、液体空気もしくは液化窒素を凝縮部３２に供給する導入パイプ３３ａに連通しているとともに、その他端部が、凝縮部３２から液化空気もしくは液化窒素を取り出す導出パイプ３３ｂに連通している。そして、上記凝縮部３２に供給された液化空気もしくは液化窒素の冷熱で、粗アルゴン塔３０内に送り込まれた酸素ガスを冷却してアルゴン還流液を製造し、酸素ガスとアルゴンの各成分の沸点差を利用して精留分離され、高沸点成分（酸素）が液化されて液化酸素３４として底部に溜まり、低沸点成分（アルゴン）が気体状態で頂部から取り出される。この粗アルゴン塔３０の頂部にはアルゴンガスが約９８〜９９．８ｖｏｌ％まで濃縮しており、上記頂部から取り出されるガスが、アルゴンガスを主成分として含有する粗アルゴンガス（原料ガス）である。
３５は粗アルゴン塔３０の底部に溜まった液化酸素３４を低圧精留塔１２へ戻す液化酸素還流弁３５ａ付き戻しパイプである。３６は熱交換器であり、粗アルゴン塔３０の頂部から取り出した粗アルゴンガスと、後述する精製装置３７を経由した粗アルゴンガスとを熱交換し、粗アルゴン塔３０の頂部から取り出した粗アルゴンガスを大気温度まで加温し、精製装置３７を経由した粗アルゴンガスを冷却する。
３７は精製装置であり、これに内蔵する２個一対の吸着剤（図示せず）により、粗アルゴン塔３０の頂部から取り出した粗アルゴンガス中の酸素を酸化除去する作用をする。また、上記粗アルゴンガス中のアルゴン濃度が低い（９８ｖｏｌ％程度）場合には、反応剤のかわりに触媒を用いて上記精製装置３７で、粗アルゴンガスに水素ガスを添加することにより、粗アルゴン塔３０で除去できなかった残りの酸素を水分に転化し、吸着剤により水分を吸着除去する作用をする。また、これら反応剤や吸着剤は高温再生しなければならず、加熱用に窒素ガスを用いており、さらに反応剤の再生用に水素ガスを用いている。したがって、上記精製装置３７を経由した粗アルゴンガス中には、残りの不純物である窒素ガスや精製装置３７で混入する水素ガス，窒素ガス等が含有されている。図において、３７ａは精製装置３７に再生用の窒素ガス，水素ガスを供給する再生ガス供給パイプで、３８は粗アルゴン塔３０の頂部から延びる制御弁３８ａ付き第１ガス取出パイプで、３９は精製装置３７から延びる開閉弁３９ａ，アルゴン供給弁３９ｂ付き第２ガス取出パイプである。
４０は内部に導入された粗アルゴンガスを液化アルゴンと窒素，水素とに精留分離する精製アルゴン塔であり、上記精製装置３７を経由した粗アルゴンガスが送り込まれる。４１は精製アルゴン塔４０の頂部に配設された凝縮部であり、その一端部が、液化窒素を凝縮部４１に供給する導入パイプ４２ａに連通しているとともに、その他端部が、凝縮部４１から液化窒素を取り出す導出パイプ４２ｂに連通している。そして、上記凝縮部４１に供給された液化窒素の冷熱で、精製アルゴン塔４０内に送り込まれた粗アルゴンガスを冷却してアルゴン還流液を製造し、粗アルゴンガスの各成分の沸点差を利用して精留分離され、高沸点成分（アルゴン）が液化されて液化アルゴン４３として底部に溜まり、低沸点成分（窒素，水素）が気体状態で頂部から取り出される。この精製アルゴン塔４０の底部では液化アルゴンが約９９．９９９ｖｏｌ％まで濃縮している。
４４は上記第２ガス取出パイプ３９に設けた気化器であり、精製アルゴン塔４０の底部に配設されている。この気化器４４は、精製アルゴン塔４０の底部に溜まる液化アルゴン４３を加熱して気化させるとともに、精製装置３７を経由した粗アルゴンガスを冷却する作用をする。
４５は精製アルゴン塔４０の頂部から延びる非凝縮ガス放出弁４５ａ付き放出パイプであり、精製アルゴン塔４０の内圧を所定の圧力に保持しながら、精製アルゴン塔４０の頂部に溜まる窒素ガス，水素ガス等の少量の非凝縮ガスをアルゴンガスとともに熱交換器３６を経て大気中に放出する作用をする。４６は精製アルゴン塔４０の内圧がさらに（上記所定の圧力より大きな圧力に）高くなると精製アルゴン塔４０内のアルゴンガスを大気中に放出する安全弁４６ａ付き放出パイプである。
４７は精製アルゴン塔４０の底部に溜まる液化アルゴン４３を取り出して貯蔵するアルゴンタンクであり、精製アルゴン塔４０の底部から延びるアルゴン供給弁４８ａ付き供給パイプ４８によって液化アルゴン４３が供給される。
４９はアルゴンタンク４７の内部の上部空間（液化アルゴン４３の液面の上側空間）に配設された凝縮部であり、その一端部が、液化窒素を凝縮部４９に供給する導入パイプ５０ａに連通しているとともに、その他端部が、凝縮部４９から液化窒素を取り出す導出パイプ５０ｂに連通している。そして、上記凝縮部４９に供給された液化窒素の冷熱で、アルゴンタンク４７の上部空間に溜まるフラッシュガス（精製アルゴン塔４０の底部に溜まる液化アルゴン４３を供給パイプ４８からアルゴンタンク４７に導入したときに生じるガス）やボイルオフガス（外気侵入熱によって生じるガス）を再液化している。
５１はアルゴンタンク４７の上部から延びる制御弁５１ａ付き放出パイプで、定期整備等で上記凝縮部４９が機能していない場合に、アルゴンタンク４７の内圧を所定の圧力に保持するため、アルゴンタンク４７の上部空間に溜まるアルゴンガスを大気中に放出する作用をする。５２はアルゴンタンク４７の圧力がさらに（上記所定の圧力より大きな圧力に）高くなるとアルゴンタンク４７内のアルゴンガスを大気中に放出する安全弁５２ａ付き放出パイプである。
５３はアルゴンタンク４７の放出パイプ５２から分岐して精製アルゴン塔４０の放出パイプ４６に連結する開閉弁５３ａ付きアルゴンガス導入パイプ（アルゴンガス導入路）であり、通常運転時には開閉弁５３ａは閉弁している。そして、定期整備時等の運転停止時には開閉弁５３ａを開弁してアルゴンタンク４７から精製アルゴン塔４０へアルゴンガスを供給し、精製アルゴン塔４０の内圧を大気圧より大きな圧力に保持し、大気が精製アルゴン塔４０に流入しないようにしている。
５４はアルゴンタンク４７内の液化アルゴン４３を取し出してアルゴン充填ポンプ５６にてアルゴンローリー車５５に供給する開閉弁５４ａ付き製品取出パイプである。図において、４６ｂ，５２ｂは安全弁４６ａ，５２ａの元弁で、５７〜５９は圧力計である。
このようなアルゴン精製装置２により、つぎのようにしてアルゴンが製造される。すなわち、まず、上記低圧精留塔１２の中間部の酸素ガスはガス導入パイプ３１によって取り出され、粗アルゴン塔３０に送り込まれる。この粗アルゴン塔３０では、送り込まれた酸素ガスとアルゴン還流液とを接触させて冷却する過程で、アルゴンと酸素との沸点の差により、酸素ガス中の高沸点成分である酸素が液化して流下し、低沸点成分であるアルゴンが気体のまま粗アルゴン塔３０の頂部から粗アルゴンガスとして取り出されて熱交換器３６に送り込まれ、常温近くまで昇温されて精製装置３７で酸素を除去されたのち、上記熱交換器３６に送り込まれて冷却されて精製アルゴン塔４０に導入される。
この精製アルゴン塔４０では、導入された粗アルゴンガスとアルゴン還流液とを接触させて冷却する過程で、アルゴンと窒素，水素との沸点の差により、粗アルゴンガス中の高沸点成分であるアルゴンが液化して流下し、低沸点成分である窒素，水素が気体のまま精製アルゴン塔４０の頂部から放出パイプ４５により放出される。また、精製アルゴン塔４０の底部に溜まる液化アルゴン４３は供給パイプ４８によって取り出され、アルゴンタンク４７に貯蔵される。また、運転中はアルゴンガス導入パイプ５３の開閉弁５３ａは閉弁されており、アルゴンタンク４７内のアルゴンガスは精製アルゴン塔４０に導入されていない。
一方、法定の定期整備（７〜１０日程度かけて行われる）により、この製造装置の運転を停止している状態では、制御弁３８ａ，６０、開閉弁３９ａ、アルゴン供給弁４８ａを閉弁する。また、凝縮部３２，４１，４９への液体空気や液化窒素の供給を停止し、粗アルゴン塔３０および精製アルゴン塔４０の底部に溜まる液化酸素３４や液化アルゴン４３をガス化させて大気中に放出する。
そして、低圧精留塔１２から制御弁３８ａまでの部分は、その内部にＣＯ2 や水分が混入するのを防止するために、ＣＯ2 や水分を含まない空気を高圧精留塔１１，低圧精留塔１２や粗アルゴン塔３０に導入し、上記空気で高圧精留塔１１，低圧精留塔１２，粗アルゴン塔３０内の圧力を大気圧より高い圧力に保持する。また、精製装置３７には再生ガス供給パイプ３７ａから窒素ガスを供給して、精製装置３７内の圧力を大気圧より高い圧力に保持する。また、精製アルゴン塔４０には、アルゴンガス導入パイプ５３の開閉弁５３ａを開弁することにより、アルゴンタンク４７内のアルゴンガスを導入し、精製アルゴン塔４０内の圧力を大気圧より高い圧力に保持する。
運転の立上げに際しては、粗アルゴン塔３０の粗アルゴン濃度が規定値になるまで、粗アルゴン塔３０の粗アルゴンを制御弁６０により大気中に放出し、規定値に達したのち精製装置３７に導入し、精製装置３７の立上げを行う。そして、精製装置３７の立上げ完了後に粗アルゴンを精製アルゴン塔４０に供給して精製アルゴン塔４０の立上げを行う。また、供給パイプ４８のアルゴン供給弁４８ａを開弁し、精製アルゴン塔４０で製造した液化アルゴンをアルゴンタンク４７に供給し、運転立上げを終了する。
上記のように、この実施の形態では、定期整備等により精製アルゴン塔４０の運転を停止して精製アルゴン塔４０内のアルゴンガスを大気中に放出する際に、アルゴンタンク４７内のアルゴンガスを精製アルゴン塔４０に導入することで、精製アルゴン塔４０の内圧を大気圧より大きな圧力に保持し、アルゴンより高沸点成分の大気中の酸素，メタン等は勿論のこと窒素も精製アルゴン塔４０に混入しないようにしている。したがって、定期整備中でも精製アルゴン塔４０内のアルゴン濃度が低下することなく高濃度に保たれており、従来のように、高純度アルゴンガスで精製アルゴン塔４０内の窒素ガスをアルゴン雰囲気に置換する必要がなく、従来２０時間以上かかっていた精製アルゴン塔４０の運転立上時間を１．５時間程度に短縮することができる。また、従来では、大気中に直接放出していたアルゴンタンク４７内の高純度アルゴンガスを有効利用したことになり、高純度アルゴンガスの無駄な消費を省くことができる。
なお、上記実施の形態は、低温空気分離装置１に関するものであるが、これに限定するものではなく、高純度アルゴンガスを生成しうる各種の装置を用いてもよい。
本発明の精製アルゴンの製法に用いる精製アルゴンの製造装置の一実施の形態を示す構成図である。 アルゴン精製装置を示す構成図である。 従来例を示す構成図である。
符号の説明
４０ 精製アルゴン塔
４７ アルゴンタンク

Claims (1)

  1. アルゴンガスを主成分として含有する原料ガスを精製アルゴン塔に導入して精留分離しアルゴンガスを液化して底部に溜め、この液化アルゴンを上記底部から取り出してアルゴンタンクに貯蔵する精製アルゴンの製法であって、精製アルゴン塔の運転停止時に、アルゴンタンク内に溜まるアルゴンガスを精製アルゴン塔に導入することにより、この精製アルゴン塔の内圧を大気圧より大きな圧力に保持するとともに、精製アルゴン塔のアルゴン純度を高純度に保ち、精製アルゴン塔の運転立上時間を短縮可能にしたことを特徴とする精製アルゴンの製法。
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