JP4692351B2 - 空気分離機に付属するアルゴン精製器 - Google Patents

Description

本発明は、酸素を含む粗アルゴンガスに水素を添加したのち触媒反応を起こして酸素を除去する空気分離機に付属するアルゴン精製器に関する。

この種の従来のアルゴン精製器として、例えば特許文献１及び２に記載のものがある。
特許文献１の内容を、図２を参照して説明する。図２（ａ）に示す従来装置は、１塔の触媒槽１１と、この触媒槽１１に外部から内部に挿入され、当該内部を螺旋状に通過して外部へ抜ける冷却水管１２と、触媒槽１１の外面を当該外面との間に空間が出来るように断熱材料で被覆し、当該空間に冷却水を流すための出入口を有するジャケット１３とを備えて構成されている。

このような構成において、酸素を含む粗アルゴンガス１５を触媒槽１１に通過させ、この通過時に水素を添加して触媒反応を起こすことによって酸素を除去する。この際、冷却水管１２に冷却水１６を通過させると共に、ジャケット１３に冷却水１７を通過させることによって触媒槽１１内において触媒反応で発生する高熱を所定温度まで冷却している。このように触媒槽１１内の温度を、触媒に劣化及び粘性が発生しない温度に保持するようになっている。

次に、特許文献２の内容を、図３を参照して説明する。図３（ａ）に示す従来装置は、冷却器２１を間に挟み２塔の触媒槽２２，２３が直列に配置されて構成されている。冷却器２１は、冷却水２４が通る冷却水配管２１ａが円筒管の外面に螺旋状に巻き付けられて成る。
このような構成において、酸素を含む粗アルゴンガス（原料ガス）２５を、まず、触媒槽２２に通過させ、この通過時に水素を添加して触媒反応を起こし、次に冷却器２１を通過させて冷却した後、更に触媒槽２３を通過させて上記同様に触媒反応を起こし、酸素を除去する。この際、冷却器２１で高熱状態の粗アルゴンガス２５を所定温度まで冷却するようになっている。
実開昭５４−８９３５３号公報 特開昭６１−１１１９０５号公報

しかし、上記特許文献１では、空気分離機の減量運転によって触媒槽１１内の粗アルゴンガス１５に含まれる酸素濃度が３〜４％と高くなった場合、触媒反応が強く生じ、このため、図２（ｂ）に曲線１８で示す触媒槽１１内の温度が、その入口付近で急激に高くなりこのピーク部分が触媒劣化温度Ｔ１以上となり、この後、出口に向かうに従い冷却されるので徐々に低くなる。このように、触媒槽１１内の温度が触媒劣化温度Ｔ１以上となった場合、この高温箇所で触媒の劣化が進み寿命が短くなるという問題がある。

また、上記特許文献２では、冷却器２１の前段の触媒槽２２が冷却されないので、上述同様に酸素濃度が高くなって触媒反応が強く生じた場合、図３（ｂ）に曲線２８で示すように、触媒槽２２内での粗アルゴンガス温度が、その入口付近で急激に高くなって触媒劣化温度Ｔ１以上となった場合、この高温状態のままで出口から出て冷却器２１に入り、この入った時点から徐々に冷却されるので徐々に低くなる。そして、冷却器２１の出口では要求温度Ｔ２まで冷却されて、後段の触媒槽２３へ流入する。このように、前段の触媒槽２２内の略全体の温度が触媒劣化温度Ｔ１以上となった場合、前段の触媒槽２２内の全体で触媒の劣化が進み寿命が短くなるという問題がある。

ここで、前段の触媒槽２２での触媒反応の負荷が減少するように添加する水素の量を減らす方法があるが、この場合、後段の触媒槽２３において上述の前段同様な問題が生じることになる。
また、上述のように酸素濃度が上昇した場合、触媒劣化温度Ｔ１以上とならないように粗アルゴンガス流量を減らす方法があるが、製品となるアルゴンガス回収量が減少するという問題が生じる。

また、空気分離機が通常運転時であっても、アルゴンガス回収量を増大させると、粗アルゴンガス中の酸素濃度が上昇するので、通常運転時にアルゴンガス回収量を増大することができないという問題がある。
この他、上記のように触媒槽の温度が触媒劣化温度Ｔ１以上となった場合、触媒反応で酸素を除去したアルゴンガスの一部を触媒槽の前段に戻して粗アルゴンガスと混合させることによって酸素濃度を下げ、これによって触媒槽の温度を下げる操作があるが、この場合、触媒反応後のアルゴンガスを前段に戻す分、アルゴンガス回収量が減少する問題が生じる。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、触媒槽の長寿命化を図ることができ、空気分離機の減量運転時にアルゴンガス回収量が減少しないように、通常運転時にはアルゴンガスの回収量を増大させることができるように、触媒槽の温度を触媒劣化温度未満で制御することができる空気分離機に付属するアルゴン精製器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に、本発明の請求項１による空気分離機に付属するアルゴン精製器は、酸素を含む粗アルゴンガスに水素を添加したのち触媒槽で触媒反応を起こして酸素を除去する空気分離機に付属するアルゴン精製器において、前記触媒槽は、概略円筒形状の槽の内部に、前記粗アルゴンガスを流入して触媒反応させる触媒を充填した細長いチューブを前記粗アルゴンガスのガス流通方向に沿って複数本配置し、この配置された各チューブの外面で且つ当該槽の内部を前記ガス流通方向と直交方向に２分割に仕切り、この仕切られた一方のガス流入側部分における前記チューブの外面と前記槽の内面との間の第１の空間に冷却水を流し、他方のガス流出側部分の外面を当該外面との間に第２の空間ができるように被覆材で被覆し、前記第２の空間に前記第１の空間を流れてきた冷却水が流れて排出される構造を成すことを特徴とする。

この構成によれば、空気分離機での処理後の酸素を含む粗アルゴンガスが、搬送途中で水素が添加されたのち触媒槽の各チューブに流入され、このガスが各チューブを通過する際に触媒反応によってガス中の酸素が除去され、これにより得られたアルゴンガスが各チューブから流出される。この際、ガス流入側部分の第１の空間に冷却水を流入するとチューブ外面が冷却されるので、その冷却水の量を適量とすることでチューブ内の入口側の強い触媒反応に応じた温度上昇を抑制して触媒劣化温度以下とすることができる。また、第１の空間を流れた冷却水がガス流出側部分の第２の空間へ流れ込んで触媒槽の外面が冷却されるので、チューブ内の出口側の弱い触媒反応に応じた温度上昇を触媒劣化温度以下に抑制することができる。

また、本発明の請求項２による空気分離機に付属するアルゴン精製器は、請求項１において、前記触媒槽において前記触媒反応により最も高温となる部位の温度を検出する温度センサを備え、当該温度センサでの検出温度が触媒劣化温度よりも小となるように前記第１の空間への冷却水の流入量を制御することを特徴とする。
この構成によれば、触媒槽における触媒反応で最も高温となる部位の温度が触媒劣化温度以上とならないように制御されるので、触媒槽を温度劣化から保護することができ、寿命を長くすることができる。

以上説明したように本発明によれば、触媒槽の長寿命化を図ることができ、空気分離機の減量運転時にアルゴンガス回収量が減少しないように、通常運転時にはアルゴンガスの回収量を増大させることができるように、触媒槽の温度を触媒劣化温度未満で制御することができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る空気分離機に付属するアルゴン精製器の構成を示す図である。
図１（ａ）に示すアルゴン精製器は、上下に開口を有する概略円筒形状の触媒槽３１を備え、この触媒槽３１の上開口に粗アルゴンガス３２の搬送用のガス管３３、下開口に酸素除去後のアルゴンガス３４の搬送用のガス管３５を接続固定し、触媒槽３１の内部に触媒が充填された複数の細長いチューブ３７をガス流通方向に沿って束ねて配置する。そして、それらチューブ３７内にガス管３３の途中で水素を添加した粗アルゴンガス３２を通過させ、この通過時に触媒反応によって酸素を除去し、この除去後に得られるアルゴンガス３４がガス管３５から流出する構成とした。

更に、触媒槽３１の内部をガス流通方向と直交方向に２分割に仕切る仕切り板３８を防水状態に固定し、その仕切られた粗アルゴンガス３２の流入側部分を強冷却部４１、アルゴンガス３４の流出側部分を弱冷却部４２とした。
強冷却部４１は、各チューブ３７の外面と触媒槽３１の内面との間の空間（第１の空間）に通ずる１対の開口の内の一方に冷却水４４の流入用の配管４５を接続固定し、他方にＵ字型配管４６の一方の口を接続固定して構成した。また、配管４５の途中には冷却水搬送用のポンプ４７が配設されている。

弱冷却部４２は、触媒槽３１の外面を当該外面との間に空間（第２の空間）が出来るように断熱材料によるジャケット４８で被覆し、ジャケット４８の側面の斜め対向位置に該空間に通ずる１対の開口を形成し、この一方の開口にＵ字型配管４６の他方の口を接続し、他方の開口に冷却水４４の流出用の配管４９を接続固定して構成した。つまり、上側の強冷却部４１を通過してやや温度上昇した冷却水４４がジャケット４８の空間を通過することよって冷却を行うので弱冷却部４２となる。

また、チューブ３７の触媒反応により最も高温となる位置に温度センサ５１を取り付け、この温度センサ５１で検出された温度に応じて水量制御部５２でポンプ４７による冷却水４４の搬送量を制御するようにした。この制御は、検出温度が図１（ｂ）に示す触媒劣化温度Ｔ１以上とならないように行う。或いは、触媒反応適正温度（例えば１５０℃〜４００℃）となるように制御する。

このような構成において、空気分離機の運転によって殆どの空気が除去されたのち僅かに酸素を含む粗アルゴンガス３２がガス管３３で搬送され、この搬送途中で水素が添加されて触媒槽３１の各チューブ３７に流入されたとする。この粗アルゴンガス３２が各チューブ３７を通過する際に触媒反応が生じ、これによって粗アルゴンガス３２中の酸素が除去され、これにより得られたアルゴンガス３４が各チューブ３７から配管３５へ流出される。

この際、ポンプ４７を駆動させて配管４５を通して冷却水４４を強冷却部４１へ流入する。この冷却水４４は、チューブ３７の外面を通過してＵ字型配管４６へ流出するので、この際にチューブ３７が冷却され、当該チューブ３７内の入口側の強い触媒反応に応じた温度上昇が抑制される。また、Ｕ字型配管４６へ流出した冷却水４４は、ジャケット４８の空間を通過し、配管４９へと流出するので、触媒槽３１の外面が冷却され、チューブ３７内の出口側の弱い触媒反応に応じた温度上昇が抑制される。

このような冷却処理において、更に、温度センサ５１にて触媒反応で最も高温となる位置の温度を検出し、水量制御部５２で、その検出温度に応じてポンプ４７の冷却水４４の搬送量を制御している。この制御は、触媒槽３１の強冷却部４１の温度が触媒劣化温度Ｔ１以上とならないように行われるので、例えば図１（ｂ）に示すように、触媒槽３１内の粗アルゴンガス３２の入口から出口までの温度５４が触媒劣化温度Ｔ１以上となることは無い。

このように、本実施の形態の空気分離機に付属するアルゴン精製器によれば、空気分離機の減量運転によって触媒槽３１内の粗アルゴンガス３２に含まれる酸素濃度が３〜４％と高くなった場合に触媒反応が強く生じたとしても、触媒槽３１内の入口付近の急激な温度上昇を抑制し、これによって触媒槽３１内の温度が触媒劣化温度Ｔ１以上とならないようにした。従って、触媒槽１１の寿命を長くすることができる。また、従来のように触媒劣化温度Ｔ１以上とならないように抑制する際に、粗アルゴンガス流量を減らしたり、酸素除去後のアルゴンガスを入口に戻したりする必要もないので、空気分離機の減量運転時にアルゴンガス回収量を減少させずに所要量安定確保することができる。

また、空気分離機が通常運転時に、アルゴンガス回収量を増大させた場合は粗アルゴンガス中の酸素濃度が上昇するが、この場合でも、触媒槽３１の温度が触媒劣化温度Ｔ１以上とならないように触媒反応によって酸素を適正に除去することができるので、通常運転時にアルゴンガス回収量を増大させることができる。
従って、触媒槽３１の長寿命化を図ることができ、空気分離機の減量運転時にアルゴンガス回収量が減少しないように、通常運転時にはアルゴンガスの回収量を増大させることができるように、触媒槽３１の温度を触媒劣化温度Ｔ１未満で制御することができる。

本発明の実施の形態に係る空気分離機に付属するアルゴン精製器の構成を示す図である。 特許文献１の説明図である。 特許文献２の説明図である。

符号の説明

３１ 触媒槽
３２ 粗アルゴンガス
３３，３５ ガス管
３４ アルゴンガス
３７ チューブ
３８ 仕切り板
４１ 強冷却部
４２ 弱冷却部
４４ 冷却水
４５，４９ 配管
４６ Ｕ字型配管
４７ ポンプ
４８ ジャケット
５１ 温度センサ
５２ 水量制御部
５４ 触媒槽内の粗アルゴンガス入口から出口までの温度
Ｔ１ 触媒劣化温度

Claims (2)

1. 酸素を含む粗アルゴンガスに水素を添加したのち触媒槽で触媒反応を起こして酸素を除去する空気分離機に付属するアルゴン精製器において、
   前記触媒槽は、概略円筒形状の槽の内部に、前記粗アルゴンガスを流入して触媒反応させる触媒を充填した細長いチューブを前記粗アルゴンガスのガス流通方向に沿って複数本配置し、この配置された各チューブの外面で且つ当該槽の内部を前記ガス流通方向と直交方向に２分割に仕切り、この仕切られた一方のガス流入側部分における前記チューブの外面と前記槽の内面との間の第１の空間に冷却水を流し、他方のガス流出側部分の外面を当該外面との間に第２の空間ができるように被覆材で被覆し、前記第２の空間に前記第１の空間を流れてきた冷却水が流れて排出される構造を成す
   ことを特徴とする空気分離機に付属するアルゴン精製器。
2. 前記触媒槽において前記触媒反応により最も高温となる部位の温度を検出する温度センサを備え、当該温度センサでの検出温度が触媒劣化温度よりも小となるように前記第１の空間への冷却水の流入量を制御することを特徴とする請求項１に記載の空気分離機に付属するアルゴン精製器。

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