JPS6246180A - 酸素ガス製造装置 - Google Patents

酸素ガス製造装置

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JPS6246180A JP60186313A JP18631385A JPS6246180A JP S6246180 A JPS6246180 A JP S6246180A JP 60186313 A JP60186313 A JP 60186313A JP 18631385 A JP18631385 A JP 18631385A JP S6246180 A JPS6246180 A JP S6246180A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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簡易に製造しうる酸
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、膨張ター
ビンを備え、断熱膨脹によるジュールトムソン効果を利
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、膨張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
膨張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っていた。
この発明は、このような事情に鑑みなされたもので、得
られる製品酸素ガスの純度を一定に保って負荷変動に対
応しうる酸素ガス製造装置の提供をその目的とする。
ｃ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っ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
酸素を圧縮空気液化用の寒冷源として上記精留塔内に導
く第１の導入路と、上記精留塔内に保持された液体酸素
の液面を監視し液体酸素の液面の上下の変化に応じて上
記液体酸素貯蔵手段からの液体酸素の供給量を抑制する
液面検出制御手段と、上記精留塔内に保持されている気
体状態の窒素を冷媒として上記熱交換手段に導く第２の
導入路と、この第２の導入路の気体窒素を断熱膨脹によ
って冷却する膨脹器と、上記精留塔内の液体酸素を冷媒
として上記熱交換手段に案内し熱交換により生じた気化
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
。
〔実施例〕
第１図はこの発明の一実施例を示している。図においで
、９は空気圧縮機、１０はドレン分離器、１１はフロン
冷却器、１２は２個１組の吸着筒で、内部にモレキュラ
ーシーブ（低温で優れた吸着能を発揮する）が充填され
ていて、交互に吸着、再生を行う。すなわち、一方の吸
着筒１２が、空気圧縮機９により圧縮されさらにフロン
冷却器１１によって冷やされた空気中のＨ２ＯおよびＣ
Ｏ２を吸着除去する間、他方の吸着筒１２は吸着剤の再
生を行う。７は第１の熱交換器であり、吸着筒１２によ
りＨｚ　Ｏ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８を経て送り込まれる。ここに送り
込まれた圧縮空気は、この第１の熱交換器７の熱交換作
用により超低温に冷却される。１３は精留塔、１５はそ
の下部塔であり、第１の熱交換器７において、膨張ター
ビン３１の発生冷熱等より超低温に冷却されパイプ８を
経て送り込まれる圧縮空気を、凝縮器１７で生成し流下
する還流液と向流接触して蒸留し酸素リッチな液体空気
１８として底部に溜め、窒素のみを気体状態で上部に保
持するようになっている。１４は上記精留塔１３の上部
塔であり、内部に上記凝縮器１７が配設されている。こ
の凝縮器１７に、精留塔１３における下部塔１５の上部
に溜る窒素ガスの一部がノイイプ２４を介して送入され
て液化し、パイプ２５を経て下部塔１５の液体窒素溜め
２６に上記還流液として送入されるようになっている。
上記上部塔１４内は、下部塔１５内よりも減圧状態にな
っており、下部塔１５の底部の貯留液体空気（Ｎ２：５
０〜７０％、０□　：３０〜５０％）１８が、パイプ２
１を通り、熱交換器２１ａで冷却され、さらに膨張弁２
０で断熱膨脹されて送り込まれ、その低沸点成分である
窒素骨を゛気化させて酸素骨を液体の状態で底部に溜め
るようになっている。１９は液面計で、下部塔１５の底
部の液体空気量により、上記膨張弁２０の開閉を制御す
る。２８は、上部塔１４の上部に溜った窒素骨（純度は
それ程高くない）を廃窒素ガスとして取り出す第２の導
入路パイプで、上記廃窒素ガスを第１の熱交換器７に案
内してその冷熱により原料空気を超低温に冷却し、熱交
換を終えた廃窒素ガスを矢印Ａのように大気中に放出す
る。上記上部塔１４の下側の部分には、液体酸素貯槽２
３から液体酸素が寒冷源として第１の導入路バイブ２３
ａを介して送入され、上部塔１４内で生成した液体酸素
とともに内蔵凝縮器１７を冷却するようになっている。
上記液体酸素貯槽２３には外部から液体酸素がタンクロ
ーリ等からパイプ２７を介して供給される。２７ａは上
記導入路パイプ２３ａに設けられた開度可変弁で、液面
計２２ａによって制御されている。すなわち、この開度
可変弁２７ａは、上部塔１４内の底部に溜った液体酸素
２２の液面に応じてその開度が液面計２２ａによって調
節されるものであり、液体酸素２２の液面が所定の高さ
より降下すると開度が大になって、液体酸素貯槽２３か
らの液体酸素の流量を多くし、逆に液面が所定の高さよ
り上昇すると開度が小さくなって液体酸素の流量を減少
させて、液体酸素２２の液面を所定の高さに保つように
なっている。２９は下部塔１５の上部に溜る窒素ガスを
取り出し第１の熱交換器７に案内する第２の導入路パイ
プである。この第２の導入路バイブ２９も前記第２の導
入路バイブ２８も、共に精留塔１３内の窒素ガスを熱交
換手段７に案内するという点において一括しうる。３０
はこの第２の導入路バイブ２９によって第１の熱交換器
７内に送入された廃窒素ガスを第１の熱交換器７の途中
から取り出すパイプで、取り出した廃窒素ガスを膨張タ
ービン３１に送入する。この膨張タービン３１は、公知
のものであり、取り出された廃窒素ガスを断熱膨脹させ
て冷熱を発生させ、これを第２の導入路パイプ２８内を
流通する廃窒素ガスと合流させて極度に冷却し再度第１
の熱交換器７に送入するようになっている。３２は一端
が上部塔１４の底部より上方の位置に開口している液体
酸素取出パイプで、塔１４の底部に滞留する液体酸素を
液体酸素加圧ポンプ３３に送出する。上記加圧ポンプ３
３は、酸素を液体の状態で所定の圧力まで加圧するもの
であり、第２図に示すように、モータ支持台１２５の上
部に高速回転モータ１２６を載置し、下部に圧縮部１２
７を液体酸素漏れ止め部１２８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１２５．液体酸素漏れ止め部
１２８および圧縮部１２７の中心を通って主軸１３５が
設けられ、この主軸１３５はモータ１２６の回転軸１２
６ａとカプリング１３６を介して接続されており、モー
タ支持台１２５の内部に設けられ軸受カバー１３７３で
固定された軸受１３７と圧縮部１２７の先端に設けられ
た軸受１３８によって回転自在に軸支されている。１４
０はスリーブである。上記圧縮部１２７は、この主軸１
３５に２枚の渦巻型羽根車１４６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１３５の回転により、液体酸素を羽根
車１４６の中央吸込口１４６ａから吸込み、外周の吐出
口１４６ｂから加圧状態で吐出するようになっている。
すなわち、羽根車１４６の回転により、吸込ノズル１４
８から液体酸素を吸込み、まず１段目の羽根車１４６で
加圧し、ついで加圧流体を魂通路１４７を介して２段目
の羽根車１４６で加圧し、液体酸素を所定の圧力に昇圧
するようになっている。上記液体酸素漏れ止め部１２８
は、主軸１３５の外周をスリーブ１５０で包囲し、さら
にこのスリーブ１５０の外周にラビリンス１５１および
ラビリンスカバー１５２を設け、圧縮部１２７から液体
酸素が漏出してモータ支持台１２５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１２５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。１５３は、酸素排出
パイプで、上記漏れ止め部１２８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っている。第１図にお
いて、３４は酸素輸送パイプで、上記加圧ポンプ３３で
加圧された液体酸素を第２の熱交換器２１ａを経て第１
の熱交換器７に送出するようになっている。３５は第１
の熱交換器７から常温になった製品酸素ガスを系外に送
出する製品酸素ガス取出パイプである。
なお、３６はバックアップ系ラインであり、空気圧線系
ラインが故障したときに弁３６ａを開き、液体酸素貯槽
２３内の液体酸素を蒸発器３７により蒸発させてパイプ
３５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、一層積製効率
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製造する
。すなわち、空気圧縮機９により空気を圧縮し、ドレン
分離器１０により圧縮された空気中の水分を除去してフ
ロン冷却器１１により冷却し、その状態で吸着筒１２に
送り込み、空気中のＨｔ　ＯおよびＣＯ２を吸着除去す
る。ついで、Ｈ２ＯおよびＣＯ，が吸着除去された圧縮
空気を第１の熱交換器７に送り込んで超低温に冷却し、
その状態で精留塔１３の下部塔１５内に投入する。つい
で、この投入圧縮空気を、液体窒素溜め２６からの溢流
液体窒素と向流的に接触させ、その一部を液化して下部
塔１５の底部に液体空気１８として溜める。この過程に
おいて、窒素と酸素の沸点の差（標準状態では酸素の沸
点−１８３℃、窒素の沸点−１９６℃）により、圧縮空
気中の畜沸点成分である酸素が液化し、窒素が気体のま
ま残る。
ついで、この気体のまま残った窒素ガスを第２の導入路
パイプ２９から取り出して第１の熱交換器７に送り込み
、−１４０℃近くまで昇温させたところでパイプ３０か
ら取り出して膨張タービン３１に送出する。この場合、
膨張タービン３１に送す込まれる窒素ガスは、膨張ター
ビン３１により断熱膨脹されて冷熱を発生し、その状態
で上部塔１４より第２の導入路パイプ２８によって送出
される廃窒素ガス・と合流して冷却し、第１の熱交換器
７においてこの熱交換器７中に送り込まれる圧縮空気と
熱交換しこれを超低温に冷却する。他方、下部塔１５の
底部に溜った酸素リッチな液体空気１８は、第２の熱交
換器２１ａにおいてさらに冷却されたのち、膨張弁２０
付バイブ２１によって上部塔１４内に噴霧状で送入され
る。このようにして送入された液体空気１８は上部塔１
４内で、沸点の差により、窒素分を気化させて上部に移
行させ、酸素を液化し下方に流下させ底部に液体酸素２
２として溜める。液体酸素取出パイプ３２は、この底部
に溜った液体酸素２２を取り出し、液体酸素加圧ポンプ
３３で加圧したのち、第２および第１の熱交換器２２ａ
、７で熱交換させ常温製品酸素ガスとして取出パイプ３
５に送出する。
このようにして、純度の高い酸素ガスが製造される。
特に、この装置は、製品酸素ガスの需要量が変化しても
、純度を一定に保ちながらその需要の変動に速やかに対
応しうるのであり、これが最大の特徴である。すなわち
、製品酸素ガスの需要量が急激に増大すれば、上部塔１
４内の液体酸素２２の滞留量が減少し、それによって液
面が所定の高さより低くなる。これにより、液面計２２
３は直ちにその液面を検知して、弁２７ａの開度を大き
くする。その結果、上部塔１４内に液体酸素貯槽２３か
ら液体酸素が多量に供給されるようになり、上部塔１４
内の液体酸素２２の液面が所定の高さまで上昇するよう
になる。製品酸素ガスの需要量が減少したときは、上記
と逆の動作が行われる。このように、液体酸素２２の液
面を常時所定の高さに制御することにより、凝縮器１７
で生成される還流液量が４正になり、装置全体が適正に
作動する。したがって、純度を変化させることなく需要
量に応じてパイプ３５から製品酸素ガスを適正量送出す
ることができるのである。
このように、この実施例の酸素ガス製造装置は、純度の
高い酸素ガスを製造できるだけでなく、膨張タービン３
１の冷却能力を一定に保ったまま、液体酸素貯槽２３か
らの液体酸素の供給量を液面計２２ａと弁２７ａとで制
御することにより、酸素ガス発生量を増減させ製品酸素
ガスの、需要量の大きくかつスピードの速い変化にスム
ーズに対応できるのである。しかも、この実施例は、製
品酸素ガスの円滑な送出および消費サイドにおける使用
の便を図って製品酸素ガスを加圧状態で送出しているの
であるが、その加圧を、気体の状態で行うのではなく、
液体の状態で行うため、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る。すなわち、気体は１モル
が２２．４　Ｊ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、上記実施例はいずれも液面計２２ａで開度可変弁
２７ａの開度を制御するようにしているが、開度可変弁
２７ａに代えて開閉作動する開閉弁を用い、開閉弁の開
閉を液面計２２ａで制御するようにしてもよい。
〔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、膨脹器
と外部よりの寒冷用液体酸素供給手段の双方を備え、運
転速度の迅速な切り換えが困難な膨脹器は常時一定速度
で運転してその冷却能力を一定に保ったまま、液体酸素
貯蔵手段からの液体酸素の供給量を液面検出制御手段で
制御することにより、酸素ガス発生量を増減させるため
、純度を下げることなく、製品酸素ガスの需要量の変化
に速やかに対応できるという優れた効果を奏するのであ
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図はその断面図である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. （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っ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
    酸素を圧縮空気液化用の寒冷源として上記精留塔内に導
    く第１の導入路と、上記精留塔内に保持された液体酸素
    の液面を監視し液体酸素の液面の上下の変化に応じて上
    記液体酸素貯蔵手段からの液体酸素の供給量を抑制する
    液面検出制御手段と、上記精留塔内に保持されている気
    体状態の窒素を冷媒として上記熱交換手段に導く第２の
    導入路と、この第２の導入路の気体窒素を断熱膨脹によ
    って冷却する膨脹器と、上記精留塔内の液体酸素を冷媒
    として上記熱交換手段に案内し熱交換により生じた気化
    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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