WO1987001185A1 - Oxygen gas production unit - Google Patents

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Akira Yoshino
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    • Y10S62/912External refrigeration system
    • Y10S62/913Liquified gas

Definitions

  • the present invention relates to an oxygen gas producing apparatus capable of easily producing high-purity oxygen gas.
  • oxygen gas has been produced by using an air separation device to separate the two using the difference in the boiling points of nitrogen and oxygen.
  • the air separation device includes an expansion turbine to generate cold required for liquefaction and separation of air, and utilizes the Joule-Thomson effect by adiabatic expansion.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an oxygen gas producing apparatus capable of coping with load fluctuations while keeping the purity of the obtained product oxygen gas constant.
  • an oxygen gas producing apparatus comprises: an air compressing means for compressing air taken in from the outside; and carbon dioxide gas and moisture in compressed air compressed by the air compressing means. Remove to remove Removing means, heat exchange means for cooling the compressed air passing through the removing means to an ultra-low temperature, and liquefaction and separation of the compressed air cooled to an extremely low temperature by the heat exchanging means to keep nitrogen in a gaseous state and oxygen in a liquid state. And a liquid oxygen storage means for receiving and storing liquid oxygen from outside the apparatus, and introducing the liquid oxygen in the liquid oxygen storage means into the rectification tower as a cold source for liquefying compressed air.
  • the first introduction path and the level of the liquid oxygen held in the rectification column are monitored, and the supply amount of the liquid oxygen from the liquid oxygen storage means is changed in accordance with the vertical change of the level of the liquid oxygen.
  • Liquid level detection control means to be suppressed a second introduction path for guiding the gaseous nitrogen held in the rectification tower as a refrigerant to the heat exchange means;
  • a configuration that the liquid body oxygen has an oxygen gas takeout path for taking out the vapor of oxygen generated by guiding heat-exchanged in the heat exchange means as a refrigerant as a product oxygen gas.
  • the oxygen gas producing apparatus of the present invention is provided with both an expander and an external cooling liquid oxygen supply means, and the expander for which it is difficult to quickly change the operating speed always operates at a constant speed.
  • the purity is reduced to increase or decrease the amount of oxygen gas generated. Instead, it has the excellent effect of being able to respond quickly to changes in the demand for product oxygen gas.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of one embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a plan view of a pressure pump
  • FIG. 3 is a cross-sectional view thereof.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the present invention.
  • 9 is an air compressor
  • 10 is a drain separator
  • 11 is a chlorofluorocarbon cooler
  • 12 is a set of 2 ⁇ 1 adsorption cylinders, and a molecular sieve inside which exhibits excellent adsorption capacity at low temperatures ) Is filled, and adsorption and regeneration are performed alternately.
  • one of the adsorption cylinder 1 2 while the H 2 0 and CO z in the air cooled by the addition CFC cooler 1 1 is compressed by the air compressor 9 for removing adsorption, the other adsorption column 12 performs regeneration of the adsorbent.
  • 7 is a first heat exchanger
  • the compressed air to H 2 0 and C 0 2 is adsorbed divided by adsorption cylinder 1 2 is fed through a compressed air Kyoawase Paibu 8.
  • the compressed air sent here is cooled to an extremely low temperature by the heat exchange operation of the first heat exchanger 7.
  • Reference numeral 13 denotes a rectification tower, and 1.5 denotes a lower tower of the first heat exchanger 7.
  • compressed air cooled to an extremely low temperature from the cold generated by the expansion turbine 31 and sent through the pipe 8 is collected. Distillation is performed in countercurrent contact with the reflux liquid generated and flowing down in the condenser 17 and stored as oxygen-rich liquid air 18 at the bottom, and only nitrogen is kept at the top in a gaseous state.
  • Reference numeral 14 denotes an upper tower of the rectification tower 13 in which the condenser 17 is disposed.
  • a part of the nitrogen gas stored in the upper part of the lower tower 15 in the rectification tower 13 is sent to the condenser 17 via a pipe 24 and liquefied, and is passed through a pipe 25 to be liquefied.
  • the liquid is supplied to the nitrogen reservoir 26 as the reflux liquid.
  • the pressure in the upper tower 14 is lower than that in the lower tower 15, and the liquid air stored at the bottom of the lower tower 15 (N 2 : 50 to 70%, O 2 : 30) ( ⁇ 50%) 18 Powerful, passed through the pipe 21 and cooled by the second heat exchanger 21a, further adiabatically expanded by the expansion valve 20 and sent in, and its low boiling point component Nitrogen is vaporized and oxygen is stored at the bottom in a liquid state.
  • Reference numeral 28 denotes a second inlet pipe for extracting nitrogen (purity is not so high) accumulated in the upper part of the upper tower 14 as waste nitrogen gas, and guides the waste nitrogen gas to the first heat exchanger 7. Then, the raw air is cooled to ultra-low temperature by the cold heat, and the waste nitrogen gas after heat exchange is released to the atmosphere as shown by arrow A.
  • liquid oxygen is supplied as a cold source from the liquid oxygen storage tank 23 through the first inlet pipe 23 a, and the liquid generated in the upper tower 14 The internal condenser 17 is cooled together with oxygen.
  • the liquid oxygen storage tank 23 is supplied with liquid oxygen from outside via a pipe 27 from a tank trolley or the like.
  • Reference numeral 27a denotes a variable opening valve provided on the first introduction pipe 23a, which is controlled by a liquid level gauge 22a. That is, the opening variable valve 27 a is a valve whose opening is adjusted by the liquid level meter 22 a according to the liquid level of the liquid oxygen 22 collected at the bottom in the upper tower 14.
  • the opening variable valve 27 a is a valve whose opening is adjusted by the liquid level meter 22 a according to the liquid level of the liquid oxygen 22 collected at the bottom in the upper tower 14.
  • Reference numeral 29 denotes a second introduction pipe for taking out the nitrogen gas stored in the upper part of the lower tower 15 and guiding it to the first heat exchanger 7. Both the second introduction pipe 29 and the second introduction pipe 28 can be collectively in that the nitrogen gas in the rectification column 13 is included in the first heat exchanger 7. .
  • Reference numeral 30 denotes a pipe for taking out the waste nitrogen gas sent into the first heat exchanger 7 by the second introduction path pipe 29 from the middle of the first heat exchanger 7. Into the expansion turbine 31.
  • This expansion turbine 31 is a known one, and adiabaticly expands the taken-out waste nitrogen gas to generate cold heat, which is combined with the waste nitrogen gas flowing through the second introduction pipe 28. To extremely cool and send it to the first heat exchanger 7 again. ing.
  • Reference numeral 32 denotes a liquid oxygen extraction pipe having one end opened at a position above the bottom of the upper tower 14, and sends out liquid oxygen staying at the bottom of the tower 14 to the liquid oxygen pressurizing pump 33.
  • the above-mentioned pressurizing pump 33 pressurizes oxygen to a predetermined pressure in a liquid state.
  • a high-speed rotating motor 1 26 is mounted on a motor support base 125.
  • a main shaft 135 is provided through the center of the motor support base 125, the liquid oxygen leak preventing portion 128 and the compression portion 127.
  • 1 3 5 is connected to the rotation 1 2 6 a of the motor 1 2 6 via the force pulling 1 3 6, and is provided inside the motor support base 1 2 5 and the bearing cover 1
  • the above-mentioned compression section 127 comprises two spiral impellers 144 mounted on the main shaft 135 in two upper and lower stages and a casing for accommodating them.
  • liquid oxygen is sucked from the central suction port 144a of the impeller 146, and is discharged from the outer discharge port 16b in a pressurized state. That is, by the rotation of the impeller 146, liquid oxygen is sucked from the suction nozzle 148, and is first pressurized by the first stage impeller 146, and then the pressurized fluid is passed through the conduction path 1.
  • the second stage impeller 1 46 pressurizes the liquid oxygen via 47 to raise the liquid oxygen to a predetermined pressure.
  • the above-mentioned liquid oxygen leak prevention part 128 encloses the outer periphery of the main shaft 135 with a sleeve 150, and further provides a labyrinth 150 and a labyrinth cover 152 around the outer periphery of the sleeve 150. Liquid oxygen is prevented from leaking from the compression section 127 and reaching the motor support base 125 to cause an explosion.
  • the motor support bases 125 are hermetically divided into three parts to prevent leaked oxygen from reaching the motor side.
  • reference numeral 34 denotes an oxygen transport pipe, which sends the liquid oxygen pressurized by the pressurizing pump 33 to the first heat exchanger 7 via the second heat exchanger 21a.
  • Reference numeral 35 denotes a product oxygen gas extraction pipe for sending the product oxygen gas at room temperature from the first heat exchanger 7 to the outside of the system.
  • Reference numeral 36 denotes a backup system line.When the air compression system line fails, the valve 36a is opened, and the liquid oxygen in the liquid oxygen storage tank 23 is evaporated by the evaporator 37 and sent to the pipe 35. However, supply of oxygen gas should not be stopped.
  • the one-point line indicates a vacuum cool box. This vacuum insulated box blocks out heat from the outside and further improves purification efficiency. '
  • This device produces product oxygen gas as follows. That is, the air is compressed by the air compressor 9, the moisture in the air compressed by the drain separator 10 is removed, and the air is cooled by the Freon cooler 11. feed, to adsorb and remove H 2 0 and C 0 2 in air. Next, the compressed air from which H 20 and CO z have been adsorbed and removed is sent to the first heat exchanger 7 where it is cooled to an extremely low temperature, and is then charged into the lower tower 15 of the rectification tower 13. Next, the charged compressed air is brought into countercurrent contact with the overflowing liquid nitrogen from the liquid nitrogen reservoir 26, a part of which is liquefied and stored as liquid air 18 at the bottom of the lower tower 15.
  • oxygen which is a high-boiling component in compressed air
  • Nitrogen remains as a gas.
  • the nitrogen gas remaining as this gas was taken out from the second introduction path pipe 29, sent to the first heat exchanger 7, and taken out from the pipe 30 when the temperature was raised to about 140 ° C.
  • the nitrogen gas sent to the expansion turbine 31 is adiabatically expanded by the expansion turbine 31 to generate cold heat, and in that state, the waste gas sent from the upper tower 14 by the second introduction pipe vip 28 is discharged. It is cooled by being combined with nitrogen gas, and heat-exchanged with the compressed air sent into the heat exchanger 7 in the first heat exchanger 7 to cool it to an extremely low temperature.
  • the oxygen-rich liquid air collected at the bottom of 15 is connected to the second heat exchanger
  • the liquid air 18 thus fed into the upper tower 14 in the upper tower 14 is vaporized by the difference in boiling points and is transferred to the upper part by vaporizing nitrogen, liquefying oxygen and flowing down and liquid oxygen at the bottom. 2 Save as 2.
  • the liquid oxygen extraction pipe 32 takes out the liquid oxygen 22 collected at the bottom thereof, pressurizes it with a liquid oxygen pressurizing pump 33, and then heats the second and first heat exchangers 21a, 7 Heat exchange in the product and sent to the extraction pipe 35 as oxygen gas. In this way, high purity oxygen gas is produced.
  • this device can respond quickly to fluctuations in demand while maintaining a constant purity even when the amount of lightning required for product oxygen gas changes. This is the most significant feature. That is, if the demand amount of the product oxygen gas rapidly increases, the amount of the liquid oxygen 22 retained in the upper tower 14 decreases, whereby the liquid level becomes lower than a predetermined height. As a result, the level gauge 2
  • the oxygen gas producing apparatus of this embodiment not only produces high-purity oxygen gas, but also supplies the liquid oxygen from the liquid oxygen storage tank 23 while keeping the cooling capacity of the expansion turbine 31 constant.
  • the volume with the liquid level meter 22a and the valve 27a the amount of oxygen gas generated can be reduced and the demand for the product oxygen gas can be smoothly increased and the demand can be changed smoothly.
  • the product oxygen gas is delivered in a pressurized state for the purpose of facilitating the use of the product oxygen gas in the consumption side and the consumption side. Since the pressurization is performed in a liquid state instead of in a liquid state, the pressurization efficiency increases and pressurization can be performed with a small amount of power.
  • a large-scale device is required to pressurize it.However, since a liquid has a smaller volume than a gas, it is pressurized. Is relatively easy. In particular, oxygen is highly active, reacts with the lubricating oil of the pressurized pump in a gaseous state, and explodes immediately.In a liquid state, such a situation can be prevented, and the pump seal is also gaseous. Liquid has the advantage that it is easier and easier to perform than liquid.
  • the opening of the variable opening valve 27a is controlled by the liquid level gauge 22a, but an opening and closing valve that opens and closes is operated instead of the variable opening valve 27a.
  • the opening and closing of the on-off valve may be controlled by a liquid level gauge 22a.

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Description

明 細 書
発明の名称
酸素ガス製造装置
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、 空気分離装釐を用い、 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、 断熱膨脹によるジュールトム ソン効果を利用している。
発明が解決しょうとする問題点
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。
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。
発明の開示
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。
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。 発明を実施するための最良の形態
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、 9は空 気圧縮機、 1 0はドレン分離器、 1 1はフロン冷却器、 1 2は 2偭 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 1 2が、 空気圧縮機 9により圧縮されさらにフロ ン冷却器 1 1によって冷やされた空気中の H20および C Ozを吸 着除去する間、 他方の吸着筒 1 2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 1 2により H20および C 02を吸着除 去された圧縮空気が、 圧縮空気供袷パィブ 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。 1 3は精留塔、 1. 5は の下部塔で あり、 第 1の熱交換器 7において、 膨脹タービン 3 1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 1 7で生成し流下する還流液と向流接触して蒸留し酸素リツチ な液体空気 1 8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。 1 4は上記精留塔 1 3の上部塔であり、 内部に上記凝縮器 1 7が配設されている。 この凝縮器 1 7に、 精留 塔 1 3における下部塔 1 5の上部に溜る窒素ガスの一部がパイブ 2 4を介して送入されて液化し、 パイプ 2 5を柽て下部塔 1 5の液体 窒素溜め 2 6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 1 4内は、 下部塔 1 5内よりも減圧状態になっており、 下 部塔 1 5の底部の貯留液体空気 (N2 : 5 0〜 7 0 % , O2 : 3 0 〜 5 0 %) 1 8力く、 パイブ 2 1を通り、 第 2の熱交換器 2 1 aで冷 却され、 さらに膨脹弁 2 0で断熱膨脹されて送り込まれ、 その低沸 点成分である窒素分を気化させて酸素分を液体の状態で底部に溜め ' るようになっている。 1 9は液面計で、 下部塔 1 5の底部の液体空 気量により、 上記膨脹弁 2 0の開閉を制御する。 2 8は上部塔 1 4 の上部に溜った窒素分 (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 1 4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の導入路パイブ 2 3 aを介して送入され、 上部塔 1 4内 で生成した液体酸素とともに内蔵凝縮器 1 7を冷却するようになつ ている。 上記液体酸素貯槽 2 3には外部から液体酸素がタンクロー リ等からパイプ 2 7を介して供給される。 2 7 aは上記第 1の導入 路パイプ 2 3 aに設けられた開度可変弁で、 液面計 2 2 aによって 制御されている。 すなわち、 この開度可変弁 2 7 aは、 上部塔 1 4 内の底部に溜った液体酸素 2 2の液面に応じてその開度が液面計 2 2 aによって調節されるものであり、 液体酸素 2 2の液面 所定の ' 高さより降下すると開度が犬になって、 液体酸素貯槽 2 3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 2 2の液面 を所定の高さに保つようになつている。 2 9は下部塔 1 5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 パイブである。 この第 2の導入路パイブ 2 9も前記第 2の導入路バ イブ 2 8も、 共に精留塔 1 3内の窒素ガスを第 1の熱交換器 7に案 内するという点において一括しうる。 3 0はこの第 2の導入路バイ プ 2 9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 を膨脹タービン 3 1に送入する。 この膨脹タービン 3 1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 2 8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つ ている。 3 2は一端が上部塔 1 4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 1 4の底部に滞留する液体酸素を液 体酸素加圧ポンプ 3 3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 1 2 5の上部に高速回転モータ 1 2 6を載置し 、 下部に圧縮部 1 1 7を液体酸素漏れ止め部 1 2 8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 1 2 5 , 液体酸素漏れ止め部 1 2 8および 圧縮部 1 2 7の中心を通って主軸 1 3 5が設けられ、 この主軸 1 3 5はモータ 1 2 6の回転轴 1 2 6 aと力プリング 1 3 6を介して接 続されており、 モータ支持台 1 2 5の内部に'設けられ軸受カバー 1
3 7 aで固定された軸受 1 3 7と圧縮部 1 2 7の先端に設けられた 軸受 1 3 8によって回転自在に軸支されている。 .1 4 0はスリーブ . である。 上記圧縮部 1 2 7は、 この主軸 1 3 5に 2枚の渦巻型羽根 車 1 4 6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 1 3 5の回転により、 液体酸 素を羽根車 1 4 6の中央吸込口 1 4 6 aから吸込み、 外周の吐出口 1 6 b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 1 4 6の回転により、 吸込ノズル 1 4 8から液体酸素を吸込み 、 まず 1段目の羽根車 1 4 6で加圧し、 ついで加圧流体を導通路 1
4 7を介して 2段目の羽根車 1 4 6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 1 2 8は 、 主軸 1 3 5の外周をスリーブ 1 5 0で包囲し、 さらにこのスリー ブ 1 5 0の外周にラビリ ンス 1 5 1およびラビリ ンスカバー 1 5 2 を設け、 圧縮部 1 2 7から液体酸素が漏出してモータ支持台 1 2 5 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 1 2 5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。 1 5 3は酸素排出パイプで、 上記 漏れ止め部 1 2 8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、 3 4は酸素輸送パイプで、 上記加圧ポンプ 3 3で加圧された液体酸素を第 2の熱交換器 2 1 aを経て第 1の熱 交換器 7に送出するようになっている。 3 5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 イブである。
なお、 3 6はバックアップ系ラインであり、 空気圧縮系ラインが 故障したときに弁 3 6 aを開き、 液体酸素貯槽 2 3内の液体酸素を 蒸発器 3 7により蒸発させてパイプ 3 5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。 一点鎮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て'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 1 0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 1 1により冷却し、 . その状態で吸着筒 1 2に送り込み、 空気中の H 2 0および C 0 2を 吸着除去する。 ついで、 H 2 0および C O z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 1 3の下部塔 1 5内に投入する。 ついで、 この投入圧縮空気 を、 液体窒素溜め 2 6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 1 5の底部に液体空気 1 8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— 1 8 3 · 窒素の沸点一 1 9 6 'C ) 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。 ついで、 この 気体のまま残った窒素ガスを第 2の導入路バイプ 2 9から取り出し て第 1の熱交換器 7に送り込み、 一 1 4 0 ¾近くまで昇温させたと ころでバイプ 3 0から取り出して膨脹タービン 3 1に送出する。 こ の場合、 膨脹タービン 3 1に送り込まれる窒素ガスは、 膨脹タービ ン 3 1により断熱膨脹されて冷熱を発生し、 その状態で上部塔 1 4 より第 2の導入路バイプ 2 8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
1 5の底部に溜った酸素リッチな液体空気 1 8は、 第 2の熱交換器
2 1 aにおいてさらに冷却されたのち、 膨脹弁 2 0付パイプ 2 1に よって上部塔 1 4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 1 8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。 液体酸素取出パイブ 3 2は、 この底部に溜 つた液体酸素 2 2を取り出し、 液体酸素加圧ポンプ 3 3で加圧した のち、 第 2およ'び第 1の熱交換器 2 1 a , 7で熱交換させ常舉製品 . 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、 製品酸素ガスの雷要量が変化しても、 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 に增大すれば、 上部塔 1 4内の液体酸素 2 2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 2
2 aは直ちにその液面を検知して、 弁 2 7 aの開度を大きくする。
その結果、 上部塔 1 4内に液体酸素貯槽 2 3から液体酸素が多量に 供給されるようになり、 上部塔 1 4内の液体酸素 2 2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 2 2の 液面を常時所定の高さに制御することにより、 凝縮器 1 7で生成さ れる還流液量が適正になり、 装置全体が適正に作動する。 したがつ て、 純度を変化させることなく需要量に応じてパイプ 3 5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、 膨脹タービン 3 1の冷却能力を一定 に保ったまま、 液体酸素貯槽 2 3からの液体酸素の供耠量を液面計 2 2 aと弁 2 7 aとで制御することにより、 酸素ガス発生量を增減 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 2 2. 4 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 は加圧ボ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棻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 2 2 aで開度可変弁 2 7 aの 開度を制御するようにしているが、 開度可変弁 2 7 a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 2 2 aで制御するよ うにしてもよい。

Claims

請求の範囲 '
(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袷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袷量を抑制する 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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