JPH0721378B2 - 酸素ガス製造装置 - Google Patents

酸素ガス製造装置

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JPH0721378B2
JPH0721378B2 JP60178232A JP17823285A JPH0721378B2 JP H0721378 B2 JPH0721378 B2 JP H0721378B2 JP 60178232 A JP60178232 A JP 60178232A JP 17823285 A JP17823285 A JP 17823285A JP H0721378 B2 JPH0721378 B2 JP H0721378B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、純度の高い酸素ガスを加圧状態で出ること
ができる酸素ガス製造装置に関するものである。
〔従来の技術〕
従来から、酸素ガスは、空気分離装置を用い、窒素と酸
素の沸点の差を利用して両者を分離することにより製造
されている。そして、上記空気分離装置においては、空
気の液化分離に必要な寒冷を発生させるため、膨脹ター
ビンを備え、断熱膨脹による冷熱発生効果を利用してい
る。
〔発明が解決しようとする問題点〕 しかしながら、膨脹タービンは回転速度が極めて大（数
万回／分）であるため、負荷変動（製品酸素ガスの取出
量の変化）に対するきめ細かな追従運転が困難である。
すなわち、製品酸素ガスの取出量の変化に応じて即座に
膨脹タービンの回転速度を正確に変化させ、酸素ガス製
造原料である圧縮空気を常時一定温度に冷却することが
困難であり、その結果、得られる製品酸素ガスの純度が
ばらつき、頻繁に低純度のものがつくりだされ全体的に
製品酸素ガスの純度が低くなつていた。また、膨脹ター
ビンは高速回転するため機械構造上高精度が要求され、
かつ高価であり、機構が複雑なため特別に養成した保全
要員が必要という難点も有している。すなわち、膨脹タ
ービンは高速回転部を有するため、上記のような諸問題
を生じるのであり、このような高速回転部を有する膨脹
タービンの除去に対して強い要望がある。製品酸素ガス
は、空気分離装置の製品酸素ガス取出路を介して消費サ
イドに送出されるが、製品酸素ガスの圧力が高いと送出
が円滑に行われ、また消費に際しても便利であることか
ら、製品酸素ガスは昇圧されていることが望まれてい
る。
この発明は、このような事情に鑑みなされたもので、膨
脹タービンを用いることなく、純度の高い酸素ガスを加
圧状態で得ることのできる酸素ガス製造装置の提供をそ
の目的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
上記の目的を達成するため、この発明の酸素ガス製造装
置は、外部より取り入れた空気を圧縮する空気圧縮手段
と、この空気圧縮手段によつて圧縮された圧縮空気中の
炭酸ガスと水分とを除去する除去手段と、この除去手段
を経た圧縮空気を超低温に冷却する熱交換手段と、この
熱交換手段により超低温に冷却された圧縮空気を液化分
離し窒素を気体の状態で酸素を液体の状態で保持する精
留塔と、装置外から液体酸素の供給を受けこれを貯蔵す
る液体酸素貯蔵手段と、この液体酸素貯蔵手段内の液体
酸素を冷熱発生用膨脹器からの発生冷熱に代え圧縮空気
液化用の寒冷源として連続的に上記精留塔内に導く導入
路と、上記精留塔内の液体酸素を取り出す液体酸素取出
路と、この液体酸素取出路から取り出された液体酸素を
加圧する加圧手段と、この加圧手段によつて加圧された
液体酸素を冷媒として上記熱交換手段に案内し熱交換に
よつて生じた気化酸素を製品酸素ガスとして取り出す酸
素ガス取出路を備えているという構成をとる。
つぎに、この発明を実施例にもとづいて詳しく説明す
る。
第１図はこの発明の一実施例を示している。図におい
て、１は第１の空気圧縮機、２は廃熱回収器、３はイン
タークーラ、４は第２の空気圧縮機、５はアフタークー
ラ、６は２個１組の空気冷却筒で、一方（6a）が密閉型
になつており、他方（6b）が排気パイプ61に接続されて
いる。７は２個１組の吸着筒で、内部にモレキユラーシ
ーブが充填されており、第１および第２の空気圧縮機1,
4により圧縮された空気中のH2OおよびCO2を交互に作動
して吸着除去する。８は第１の熱交換器であり、この熱
交換器８に、吸着筒７によりH2OおよびCO2を吸着除去さ
れた圧縮空気が、圧縮空気供給パイプ９を経て送り込ま
れ熱交換作用により超低温に冷却される。10は第２の熱
交換器であり、上記圧縮空気供給パイプ９から分岐した
分岐パイプ9aにより、H2OおよびCO2の吸着除去された圧
縮空気が送り込まれる。この第２の熱交換器10に送り込
まれた圧縮空気も熱交換作用により超低温に冷却され、
ついで上記第１の熱交換器８で冷却された超低温圧縮空
気に合流される。
11は精留塔、12はその下部塔であり、第１および第２の
熱交換器8,10により超低温に冷却されパイプ９を経て送
り込まれる圧縮空気をさらに冷却し、その一部を液化し
液体空気13として底部に溜め、窒素（微量のHe等を含
む）のみを気体状態で上部に保持するようになつてい
る。15は上記精留塔11の上部塔であり、内部に凝縮器16
が配設されている。この凝縮器16に、精留塔11における
下部塔12の上部に溜る窒素ガス（微量のHeガス等を含
む）の一部がパイプ12bを介して送入され、Heガスより
沸点の高い窒素ガスが液化し、パイプ12cを経て下部塔1
2の液体窒素溜め12aに送入され、沸点の低いHeガスは気
体のままパイプ16aから大気中に放出されるようになつ
ている。上記上部塔15内は、下部塔12内よりも減圧状態
になつており、下部塔12の底部の貯留液体空気（N2:50
〜70％，O2:30〜50％）13が、膨脹弁17a付きパイプ18を
経て中央部に送り込まれ、その低沸点成分である窒素分
を気化させ、上部塔15の底部には液体酸素21cを溜るよ
うになつている。この場合、下部塔12内の液体窒素溜め
12aに溜つた液体窒素の一部は、膨脹弁29a付パイプ29を
介して上部塔15内に送入され、上部塔15の還流液として
使用される。
30は上部塔15の上部に溜つた窒素分（純度はそれ程高く
ない）を廃窒素ガスとして取り出す廃窒素ガス取出パイ
プで、上記廃窒素ガスを第１の熱交換器８に案内してそ
の冷熱により原料空気を超低温に冷却し、続いて、分岐
パイプ30aを経由させて２個１組の冷却筒６のうちの冷
却筒6bに案内し、パイプ34の先端ノズルからシヤワー状
に流下される水と接触させて冷却し、熱交換を終えた廃
窒素ガスをパイプ61から矢印Ｄのように大気中に放出す
る。この場合、上部塔15からパイプ30を経て送出される
廃窒素ガスは、その一部が、前記２個１組の吸着筒７に
おける吸着作動していない方の吸着筒の再生に用いられ
る。すなわち、超低温の廃窒素ガスをパイプ30からパイ
プ39を経由させて廃熱回収器２に送入して昇温させ、つ
いでパイプ40を経由させ再生用ヒータ41でさらに高温ま
で昇温させ、吸着作動していない方の吸着筒に送入して
モレキユラーシーブの再生を行わせ、ついでパイプ61a,
61を経由させ大気中に矢印Ｄのように放出する。上記モ
レキユラーシーブは高温では吸着能が殆どなく、低温に
おいて優れた吸着能を発揮するものであり、上記のよう
にして再生されたままの状態では高温になつていて吸着
能を発揮しえない。そのため、高温の廃窒素ガスを流し
たのち、パイプ30bから低温の廃窒素ガスを流してモレ
キユラーシーブを冷却し、使用済みの廃窒素ガスを矢印
Ｄのように放出するということが行われ、これによつて
モレキユラーシーブの再生が完了する。２個１組の吸着
筒７はこのようにして交互に再生され使用される。な
お、冷却筒6bにおいて、廃窒素ガスにより冷却された水
31bは冷却筒6bの底部に溜り、ポンプ32の作用により、
パイプ33を経て密閉型冷却筒6aの上部に送られ、そこか
らシヤワー状に流下して第１および第２の空気圧縮機1,
4から送り込まれる原料空気を冷却する。そして、冷却
を終えた水31aは、圧力差により冷却筒6bに還流され、
廃窒素ガスの冷熱により再び冷却される。
上記上部塔15の底部には、外部から液体酸素の供給を受
けこれを貯蔵する液体酸素貯槽23から液体酸素が寒冷源
として導入路パイプ23aを介して送入され、上部塔15内
に内蔵された凝縮器16を冷却する。21dは上部塔15の底
部に溜る液体酸素21c（純度99.5％）を取り出す液体酸
素取出パイプで、液体酸素21cを第１の熱交換器８内に
案内し、そこに送り込まれる圧縮空気と熱交換させて常
温にし、製品酸素ガス取出パイプ21bに送り込む作用を
する。20は上部塔15の底部に溜るメタンやアセチレン等
の不純物を吸着除去する吸着筒である。22は第３の熱交
換器である。29cは上部塔15の底部の滞留液体酸素21cを
廃棄する廃棄パイプであり、上記液体酸素21cを第２の
熱交換器10に送り込み、そこで原料空気と熱交換させて
原料空気を超低温に冷却したのち、矢印Ｃのように放出
する。19は液体酸素取出パイプ21dに設けられた液体酸
素加圧ポンプからなる加圧手段で、液体酸素取出パイプ
21d内を流れる液体酸素21cを所定の圧力に加圧して、製
品酸素ガスが加圧状態で得られるようにしている。
上記加圧手段19は、第２図に示すような液体酸素加圧ポ
ンプからなつている。この液体酸素加圧ポンプは、モー
タ支持台25の上部に高速回転モータ26を載置し、下部に
圧縮部27を液体酸素漏れ止め部28を介して取着すること
により構成されている。より詳しく説明すると、第３図
に示すように、モータ支持台25,液体酸素漏れ止め部28
および圧縮部27の中心を通つて主軸35が設けられ、この
主軸35はモータ26の回転軸26aとカプリング36を介して
接続されており、モータ支持台25の内部に設けられ軸受
カバー37aで固定された軸受37と圧縮部27の先端に設け
られた軸受38によつて回転自在に軸支されている。40は
スリーブである。上記圧縮部27は、この主軸35に２枚の
渦巻型羽根車46を上下２段に取り付けるとともに、これ
らを収容するケーシングを設けて構成されており、主軸
35の回転により、液体酸素を羽根車46の中央吸込口46a
から吸込み、外周の吐出口46bから加圧状態で吐出する
ようになつている。すなわち、羽根車46の回転により、
吸込ノズル48から液体酸素を吸込み、まず１段目の羽根
車46で加圧し、ついで加圧流体を導通路47を介して２段
目の羽根車46で加圧し、液体酸素を所定の圧力に昇圧す
るようになつている。上記液体酸素漏れ止め部28は、主
軸35の外周をスリーブ50で包囲し、さらにこのスリーブ
50の外周にラビリンス51およびラビリンスカバー52を設
け、圧縮部27から液体酸素が漏出してモータ支持台25内
に達し爆発を起こすことがないようにしている。この点
に関し上記モータ支持台25は内部を３つに気密分割し漏
出酸素がモータ側に達しないよう配慮している。53は酸
素排出パイプで、上記漏れ止め部28から例え液体酸素が
漏出しても、それがモータ側に達しないよう液体酸素を
気化状態で外部へ排出するようになつている。
44はバツクアツプ系ラインであり、空気圧縮系ラインが
故障したとき弁44aを開き、液体酸素貯槽23内の液体酸
素を蒸発器45により蒸発させてパイプ21bに送り込み、
酸素ガスの供給がとだえることのないようにする。一点
鎖線は真空保冷函を示している。この真空保冷函は外部
からの熱侵入を遮断し、一層精製効率を向上させるもの
である。
この装置は、つぎのようにして製品酸素ガスを加圧状態
で得る。すなわち、空気圧縮機１により空気を圧縮し、
このとき発生した熱を廃熱回収器２で回収する。そし
て、圧縮された空気をインタークーラ３で冷却し、つい
で空気圧縮機４により圧縮し、アフタークーラ５でさら
に冷却したのち、密閉型冷却筒6aに送入し、廃窒素ガス
で冷却された水と向流接触させて冷却する。つぎに、こ
れを吸着筒７に送り込み、H2OおよびCO2を吸着除去す
る。ついで、H2OおよびCO2を吸着除去された圧縮空気の
一部を、パイプ９を経由させ第１の熱交換器８内に送り
込んで超低温に冷却するとともに、残部を、分岐パイプ
9aを経由させ第２の熱交換器10に送り込んで超低温に冷
却し、両者を合流させて下部塔12の下部内に投入する。
ついで、この投入圧縮空気を、液体窒素溜め12aからの
溢流液体窒素と向流的に接触させて蒸留し、その酸素分
を液化して下部塔12の底部に溜める。この過程におい
て、窒素と酸素の沸点の差（酸素の沸点−183℃，窒素
の沸点−196℃）により、圧縮空気中の高沸点成分であ
る酸素が液化し、窒素が気体のまま残る。そして、下部
塔12の底部には酸素分が多い液体空気13が溜る。つい
で、下部塔12の底部に溜つた液体空気は、膨脹弁17aで
断熱膨脹されたのち、パイプ18を介して上部塔15内に噴
霧され、液体窒素溜め12aから上部塔15の上部に送入さ
れた液体窒素と接触しながら上部塔15の底部に流下す
る。このとき、前記同様、窒素と酸素の沸点の差によ
り、高沸点成分である酸素が液化して底部に溜り、窒素
が気体のまま残る。この場合、上記上部塔15には、液体
酸素貯槽23から液体酸素が寒冷として供給され、上記液
化分離された液体酸素と混じり合つて上部塔15の底部に
溜り、上部塔15内の凝縮器16を冷却する。他方、前記の
ようにして塔15内で分離された窒素ガスは、その殆どが
廃窒素ガス取出パイプ30から取り出され、第１の熱交換
器８の冷媒として、また空気冷却筒６の冷却水の作製お
よび吸着筒７の再生に利用される。そして、上記のよう
にして上部塔15の底部に溜つた液体酸素13が、液体酸素
取出パイプ21dから取り出され、吸着筒20を経由して不
純物が吸着除去されたのち、加圧ポンプ19で所定の圧力
に加圧され、ついで、第３の熱交換器22に送出され、そ
こで、下部塔12からパイプ12bを介して取り出された窒
素ガスと熱交換されて昇温され、つぎに第１の熱交換器
８に送出されて昇温され、加圧状態の常温酸素ガスとし
製品酸素ガス取出パイプ21bに送り込まれ系外に送出さ
れる。このようにして、純度の高い酸素ガスが加圧状態
で得られる。
このように、上記実施例は、酸素を気体の状態で加圧す
るのではなく、液体の状態で加圧して純度の高い酸素ガ
スを加圧状態で得るようにしているため、上記酸素を気
体の状態で加圧するものと比べて、加圧効率が高くな
り、僅かな動力で加圧を行うことができ、製品ガスのコ
ストの低減および装置の小形化を実現できる。すなわ
ち、気体は１モルが22.4lと大容積であるため、これの
加圧には大がかりな装置を必要とするところ、液体は気
体に比べて体積が小さいため、その加圧は比較的容易で
ある。特に、酸素は活性が強く、気体状態では加圧ポン
プの潤滑油等と反応し直ちに爆発するところ、液体状態
ではそのような事態の発生を防止できるうえ、ポンプの
シールも気体に比べて液体の方が容易であり簡易に行い
うるという利点を有するのである。
なお、第１図の装置は、原料空気を圧縮および不純分除
去し、それをそのまま精留塔11に供給しているが、第４
図に示すように、原料空気を、予め窒素除去装置71を通
して酸素リッチな状態にし、これを精留塔11に供給して
もよい。上記窒素除去装置71について図面を参照して詳
しく説明すると、62,63,64はそれぞれ内部にN2を選択的
に吸着する吸着剤（合成ゼオライト：モレキユラーシー
ブ）が充填されている窒素吸着筒で、それぞれその入口
が弁62b,63b,64bを備えた流入路62a,63,64aを介して空
気圧縮機パイプ1aに接続されている。66は真空ポンプ
で、弁62c,63c,64cを備えた吸引路65を介して上記吸着
筒62,63,64の入口に接続されている。62d,63d,64dは、
それぞれ上記吸着筒62,63,64の出口に接続されている吐
出路で、それぞれ弁62e,63e,64eを備えている。これら
の吐出路62d,63d,64dは、圧縮空気供給パイプ９に接続
されている。そして、上記吸着筒62,63,64は、そのなか
の１個が吸着に使用され、その間残るものが真空ポンプ
66の真空吸引による再生作用を受け、ついで再生された
ものの１個が吸着作動する。これを繰り返して連続吸着
作動するようになつている。このような窒素除去装置61
を用いることにより、必要とされる原料空気量が少なく
なり酸素ガスの発生コストを低減させることができる。
〔発明の効果〕
以上のように、この発明の酸素ガス製造装置は、膨脹タ
ービンを用いず、それに代えて何ら回転部をもたない液
体酸素貯槽等の液体酸素貯蔵手段を用いるため、装置全
体として故障が全く生じない。しかも膨脹タービンは高
価であるのに対して液体酸素貯槽は安価であり、また特
別な要員も不要になる。そのうえ、膨脹タービンは負荷
変動（製品酸素ガスの取出量の変化）に対するきめ細か
な追従運転が困難であり、製品酸素ガス等の取出量の変
化に応じてその回転数を正確に変化させ、酸素ガス製造
原料である圧縮空気を常時一定温度に冷却することが困
難であるところ、この発明は、それに代えて液体酸素貯
槽を装備し、供給量のきめ細かい調節が可能な液体酸素
を寒冷源として用いるため、負荷変動に対するきめ細か
な追従が可能となり、純度が安定していて極めて純度の
高い酸素ガスを製造しうるようになる。しかも、この装
置は、加圧手段を備えているため、製造される純度の高
い酸素ガスが加圧状態で得られるようになり、消費サイ
ドにとつて極めて使い易くなる。特に、上記酸素の加圧
を、液体酸素を対象として行つているため、加圧効率の
大幅な向上効果が得られ、製品酸素ガスのコストの大幅
低減および装置の小形化を実現しうるようになる。ま
た、液体を対象とする場合には気体を対象とする場合に
比べてシールが容易になり、酸素の漏出を完全に防止し
うるようになるため、爆発等の災害の発生予防の見地か
らも大きな成果が得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明の一実施例の構成図、第２図は加圧ポ
ンプの平面図、第３図はその断面図、第４図は第１図の
変形例の構成図である。 １…第１の空気圧縮機、４…第２の空気圧縮機、７…吸
着筒、８…第１の熱交換器、11…精留塔、12…下部塔、
15…上部塔、18…パイプ、19…加圧ポンプ、21d…液体
酸素取出パイプ、21b…製品酸素ガス取出パイプ、23…
液体酸素貯槽、23a…導入路パイプ

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】外部より取り入れた空気を圧縮する空気圧
    縮手段と、この空気圧縮手段によつて圧縮された圧縮空
    気中の炭酸ガスと水分とを除去する除去手段と、この除
    去手段を経た圧縮空気を超低温に冷却する熱交換手段
    と、この熱交換手段により超低温に冷却された圧縮空気
    を液化分離し窒素を気体の状態で酸素を液体の状態で保
    持する精留塔と、装置外から液体酸素の供給を受けこれ
    を貯蔵する液体酸素貯蔵手段と、この液体酸素貯蔵手段
    内の液体酸素を冷熱発生用膨脹器からの発生冷熱に代え
    て圧縮空気液化用の寒冷源として連続的に上記精留塔内
    に導く導入路と、上記精留塔内の液体酸素を取り出す液
    体酸素取出路と、この液体酸素取出路から取り出された
    液体酸素を加圧する加圧手段と、この加圧手段によつて
    加圧された液体酸素を冷媒として上記熱交換手段に案内
    し熱交換によつて生じた気化酸素を製品酸素ガスとして
    取り出す酸素ガス取出路を備えていることを特徴とする
    酸素ガス製造装置。
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