JPH10132458A - 酸素ガス製造方法及び装置 - Google Patents

酸素ガス製造方法及び装置

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JPH10132458A
JPH10132458A JP8285385A JP28538596A JPH10132458A JP H10132458 A JPH10132458 A JP H10132458A JP 8285385 A JP8285385 A JP 8285385A JP 28538596 A JP28538596 A JP 28538596A JP H10132458 A JPH10132458 A JP H10132458A
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oxygen
gas
liquefied
main
oxygen gas
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JP8285385A
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English (en)
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Hideyuki Honda
秀幸 本田
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Japan Oxygen Co Ltd
Taiyo Nippon Sanso Corp
Original Assignee
Japan Oxygen Co Ltd
Nippon Sanso Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 製品として所定圧力に昇圧した酸素ガスを製
造するにあたり、原料空気圧縮圧力を低くして運転コス
トの低減を図ることができる酸素ガスの製造方法及び装
置を提供する。 【解決手段】 上部塔３１の下部に設けた洗浄部３２の
上部から液化酸素の一部を抜出して主凝縮蒸発器３３に
供給し、下部塔６の窒素ガスと熱交換させることにより
気化して酸素ガスとし、洗浄部３２の下部に上昇ガスと
して導入し、この上昇ガス中に含まれる炭化水素を洗浄
部３２で下降液により洗浄除去する。洗浄部３２から塔
底部に流下した炭化水素等を含む液化酸素は、液化酸素
導出管３６に導出してポンプ３７で昇圧した後、主熱交
換器４で気化，昇温して酸素ガス導出管３８から所定圧
力の製品酸素ガスとして導出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、酸素ガス製造方法
及び装置に関し、詳しくは、圧縮，精製，冷却した原料
空気を精留塔に導入して液化精留分離を行い、製品とし
て所定圧力に昇圧した酸素ガスを製造する酸素ガス製造
方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】図３は、製品として酸素ガスを採取する
従来の空気液化分離装置の概略を示す系統図である。図
３において、空気圧縮機１で圧縮された原料空気は、冷
却器２で冷却された後、該原料空気中の水分や二酸化炭
素等を除去する吸着精製設備３に導入され、次いで主熱
交換器４で戻りガスと熱交換を行い、略液化温度まで冷
却されて管５から複精留塔の下部塔６の下部に導入され
る。
【０００３】上記下部塔６に導入された原料空気は、該
下部塔６における精留操作により、塔頂部に窒素ガスが
分離し、塔底部に酸素富化液化空気が分離する。この酸
素富化液化空気は、塔底部の管７に導出され、膨張弁８
を介して上部塔９の中段上部に導入される。
【０００４】一方、下部塔頂部の窒素ガスは、管１０に
導出されて主凝縮蒸発器１１に導入され、後述の液化酸
素と熱交換を行い、液化して液化窒素となり、管１２に
導出される。管１２の液化窒素の一部は、管１３，膨張
弁１４を経て上部塔９の頂部に導入され、残部は管１５
により下部塔６の頂部に導入される。
【０００５】なお、この場合、下部塔頂部の窒素ガスと
しては、図３の管１０に導出される窒素ガスの他、下部
塔頂部に濃縮するヘリウム，水素等の混入を防止するた
め、下部塔６の塔頂より数段下から抜出す場合の高純度
窒素ガスも含まれる。
【０００６】また、上部塔９においては、精留操作によ
り塔底部に液化酸素が分離するとともに、塔頂部に窒素
ガスが分離する。この窒素ガスは、管１６に導出され、
主熱交換器４で前記原料空気と熱交換を行い、昇温して
導出される。
【０００７】上部塔底部の液化酸素は、主凝縮蒸発器１
１で前記下部塔頂部からの窒素ガスと熱交換して気化
し、酸素ガスとなり上部塔内を上昇して上昇ガスとな
る。液化酸素の一部は、管１７に抜出されてポンプ１８
で所定圧力に昇圧された後、主熱交換器４で気化して常
温となり管１９から需要先に送られる。
【０００８】なお、この場合、上部塔底部の液化酸素と
しては、一般に、図３に示すように上部塔下部に主凝縮
蒸発器１１が一体的に備えられている場合の他、上部塔
・下部塔一体型の主精留塔における上部塔底部に主凝縮
蒸発器が備えられている場合は勿論、上部塔，下部塔，
主凝縮蒸発器がそれぞれ別個に設置されている場合の上
部塔底部や主凝縮蒸発器の液化酸素も含まれる。
【０００９】また、原料空気の一部は、主熱交換器４の
中間部から管２０に抜出され、膨張タービン２１で膨張
して寒冷を発生させた後、管２２から上部塔９に導入さ
れる。さらに、主熱交換器４の前段の原料空気の一部
は、管２３に分岐して昇圧機２４で昇圧され、主熱交換
器４で冷却された後、膨張弁２５で膨張して管２６から
下部塔６に導入される。
【００１０】このようにして酸素を分離採取する空気液
化分離装置において、原料空気中に極微量含まれるメタ
ン，エタン，プロパン等の炭化水素等は、高酸素雰囲気
中で一定濃度以上になると爆発する危険性があるが、通
常の吸着精製設備３や従来の可逆式熱交換器で全く完全
に除去することが困難であり、原料空気と共に系に導入
されたものの一部は、精留塔に導入された後、前記上部
塔底部の液化酸素中に濃縮される。
【００１１】すなわち、上記吸着精製設備３では、炭素
数４以上の炭化水素及びアセチレンは略完全に除去でき
るが、メタン，エタン，プロパンは、現状では完全除去
が困難で、大気条件により異なるが、例えば、それぞれ
約２ｐｐｍ，０．０２ｐｐｍ，０．０２ｐｐｍ程度が通
過する。また、可逆式熱交換器では、該熱交換器冷端温
度における蒸気圧分量の炭化水素が原料空気と共に精留
塔に導入される。
【００１２】このため、従来の装置では、上記炭化水素
が前記主凝縮蒸発器１１の伝熱面に析出しないように、
常に伝熱面を液化酸素で洗う必要があり、上部塔９の底
部に多量の液化酸素を溜めてサブマージェンスを大きく
することで熱交換器ブロック（コア）内の酸素流量（循
環倍率）を大きくするようにしていた。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ように主凝縮蒸発器におけるサブマージェンス、即ち液
化酸素の液高さを大きくすると、液ヘッドの影響で主凝
縮蒸発器下部の液化酸素の気化温度が上昇するので、液
化酸素と窒素ガスとの平均温度差を大きくするために、
窒素ガスの圧力、即ち下部塔圧力を上げると、該下部塔
に導入する原料空気の圧力、即ち圧縮機の吐出圧力を高
めなければならず運転コストが上昇するという問題があ
った。
【００１４】ところで、上述の炭化水素類は、一般に沸
点が高いので、前述のように、精留操作により上部塔底
部の液化酸素中に濃縮されるが、該炭化水素の量が、主
凝縮蒸発器における酸素の蒸発温度でのそれぞれの炭化
水素の蒸気圧以下の量である場合には、主凝縮蒸発器に
導入される炭化水素が蓄積されることなく、酸素の蒸発
と同時に蒸発して酸素ガス中に同伴され、製品酸素ガス
の不純物成分として導出されるため、サブマージェンス
を大きくして主凝縮蒸発器の伝熱面を液化酸素で洗う必
要がなくなる。
【００１５】そこで本発明は、製品として所定圧力に昇
圧した酸素ガスを製造するにあたり、主凝縮蒸発器にお
ける前記メタン，エタン，プロパン等の炭化水素のよう
な危険物質の量を、酸素の蒸発温度でのそれぞれの炭化
水素の蒸気圧以下とすることにより、上記従来技術の欠
点を解消し、運転コストの低減を図ることができる酸素
ガスの製造方法及び装置を提供することを目的としてい
る。
【００１６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の酸素ガスの製造方法は、圧縮，精製，冷却
した原料空気を、下部塔，上部塔及び主凝縮蒸発器を備
えた複精留塔に導入して液化精留分離を行い、前記下部
塔頂部に分離する窒素ガスと前記上部塔底部に分離する
液化酸素とを前記主凝縮蒸発器で熱交換させることによ
り前記窒素ガスを液化し、かつ、前記液化酸素を気化す
るとともに、前記上部塔底部の液化酸素の一部をポンプ
で昇圧し、気化昇温後に製品酸素ガスとして導出する酸
素ガス製造方法において、前記上部塔の下部に上昇ガス
中に含まれる炭化水素を下降液との気液接触によって洗
浄除去する洗浄部を設け、該洗浄部の上部から下降液で
ある液化酸素の一部を抜出して前記主凝縮蒸発器に供給
し、該主凝縮蒸発器で前記窒素ガスと熱交換させること
により前記液化酸素を気化して前記洗浄部の下部に上昇
ガスとして導入するとともに、前記上部塔底部から液化
酸素を導出してポンプで昇圧後、気化，昇温して導出す
ることを特徴としている。
【００１７】また、本発明の酸素ガスの製造装置は、圧
縮設備，精製設備，冷却設備を備えた原料空気供給系統
を経た原料空気を、下部塔，上部塔及び主凝縮蒸発器を
備えた複精留塔に導入して液化精留分離を行うことによ
り酸素ガスを製造する酸素ガス製造装置において、前記
上部塔の下部に上昇ガス中に含まれる炭化水素を下降液
で洗浄除去する洗浄部を設け、該洗浄部の上部と前記主
凝縮蒸発器との間に、上部塔の下降液である液化酸素の
一部を抜出して前記主凝縮蒸発器に供給する液化酸素供
給管を設け、前記洗浄部の下部と前記主凝縮蒸発器との
間に、該主凝縮蒸発器で前記窒素ガスと熱交換して気化
した酸素ガスを上部塔に上昇ガスとして導入する酸素ガ
ス導入管を設けるとともに、前記上部塔底部の液化酸素
を導出する液化酸素導出管と、導出した液化酸素を昇圧
するポンプと、該ポンプで昇圧した液化酸素を気化，昇
温する熱交換流路と、気化した酸素ガスを導出する酸素
ガス導出管とを設けたことを特徴としている。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明を、図面を参照して
さらに詳細に説明する。なお、以下の説明において、前
記従来例装置における構成要素と同一の構成要素には同
一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００１９】まず、図１に示す形態例は、上部塔３１の
下部に、目皿板又は充填材等で気液接触を行うように構
成した洗浄部３２を設けるとともに、該洗浄部３２の上
部に上部塔３１の下降液である液化酸素の一部を抜出し
て主凝縮蒸発器３３の下部に供給する液化酸素供給管３
４と、該主凝縮蒸発器３３で気化した酸素ガスを前記洗
浄部３２の下部に上昇ガスとして導入する酸素ガス導入
管３５とをそれぞれ設け、上部塔３１の底部に、上部塔
底部の液化酸素を導出する液化酸素導出管３６と、該液
化酸素導出管３６に導出した液化酸素を昇圧するポンプ
３７と、該ポンプ３７で昇圧した液化酸素を気化，昇温
して導出する酸素ガス導出管３８とを設けたものであ
る。
【００２０】すなわち、洗浄部３２の上部から下降液で
ある液化酸素の一部を、流量調節弁３９で流量調節して
抜出し、主凝縮蒸発器３３に供給して下部塔６から導出
した窒素ガスと熱交換させることにより前記液化酸素を
気化して酸素ガスとし、この酸素ガスを洗浄部３２の下
部に上昇ガスとして導入することにより、該洗浄部３２
で上昇ガス中に含まれる炭化水素を下降液で洗浄除去す
ることができ、洗浄部３２の上方の精留段の下降液中の
炭化水素等の濃度を低くすることができ、主凝縮蒸発器
３３の液化酸素中に炭化水素等が危険濃度以上に濃縮す
ることがないため、主凝縮蒸発器３３におけるサブマー
ジェンスを小さくして液深の影響を最小に抑えることが
でき、熱交換効率が向上して圧縮機の動力削減が図れ
る。そして、洗浄部３２から塔底部に流下した炭化水素
等を含む液化酸素は、上部塔底部から液化酸素導出管３
６に導出され、ポンプ３７で１〜２００ｋｇ／ｃｍ2 Ｇ
に昇圧された後、本形態例においては、主熱交換器４で
原料空気と熱交換することにより気化，昇温し、酸素ガ
ス導出管３８を通り、所定圧力の製品酸素ガスとして導
出される。
【００２１】空気圧縮機１で５ｋｇ／ｃｍ2 Ｇに圧縮さ
れた原料空気、例えば１００００Ｎｍ3 ／ｈは、冷却器
２で冷却された後、吸着精製設備３に入り、不純物を除
去された後、主熱交換器４に入り、戻りガスと熱交換を
行い、略液化温度まで冷却され、管５から下部塔６の下
部に導入される。主熱交換器４の中間から原料空気の一
部、約１５００Ｎｍ3 ／ｈが分岐され、管２０で膨張タ
ービン２１に導かれ、断熱膨張により寒冷を発生させた
後、菅２２で上部塔３１の中部に導入される。
【００２２】また、吸着精製設備３を出た原料空気の一
部、２５００Ｎｍ3 ／ｈが管２３に分岐され、圧縮機２
４で２５ｋｇ／ｃｍ2 Ｇに圧縮され、冷却水で冷却され
た後、主熱交換器４に入り、さらに冷却されて液化す
る。次いで、膨張弁２５で下部塔下部の圧力である約
４．８ｋｇ／ｃｍ2 Ｇに膨張し、管２６で下部塔６に導
入される。
【００２３】吸着精製設備３で精製された後、管５，管
２２，管２６から精留塔にそれぞれ導入される原料空気
中には、通常、炭化水素（前述のように、例えばメタン
約２ｐｐｍ，エタン約０．０２ｐｐｍ、プロパン約０．
０２ｐｐｍ）が含まれている。
【００２４】空気が導入された下部塔６において、精留
操作により塔頂部に窒素ガスが分離し、塔底部に酸素富
化液化空気が分離し、導入空気に含まれていた炭化水素
等は、酸素富化液化空気に同伴されて管７により上部塔
３１に導入される。
【００２５】上部塔３１の上部では、炭化水素等が上昇
ガスから除かれて下降液に入り、中部以下では、原料空
気中に含まれていた炭化水素類等のほとんど全てが約８
５００Ｎｍ3 ／ｈの下降液中に含まれ、例えばメタン
２．３５ｐｐｍ、エタン０．０２４ｐｐｍ、プロパン
０．０２４ｐｐｍとなる。
【００２６】上部塔３１の下部に設けた洗浄部３２の上
方の精留部からは、精留操作により液化酸素が分離して
流下する。この液化酸素中には、下降液と略等しい濃度
の炭化水素等が含有される。この液化酸素の一部６５０
０Ｎｍ3 ／ｈを液化酸素供給管３４に抜出して主凝縮蒸
発器３３で気化させ、気化した酸素ガスを、酸素ガス導
入管３５から洗浄部３２の下部に導入する。残りの液化
酸素２０００Ｎｍ3 ／ｈは、洗浄部３２を流下し、上昇
する酸素ガスと気液接触することで、さらにガス中の炭
化水素等を取込み、例えばメタン１０ｐｐｍ、エタン
０．１ｐｐｍ、ブロパン０．１ｐｐｍとなる。洗浄部３
２の下部の上記の量の炭化水素等を含有した液化酸素
は、液化酸素導出管３６に抜出され、ポンプ３７で、例
えば１０ｋｇ／ｃｍ2 Ｇまで昇圧し、主熱交換器４で常
温のガスと熱交換することで気化、昇温して酸素ガス導
出管３８から導出する。
【００２７】上記操作においては、主熱交換器４で圧力
１０ｋｇ／ｃｍ2 Ｇの液化酸素が気化するが、１０ｋｇ
／ｃｍ2 Ｇにおける酸素の沸点は、−１４１℃であり、
その温度での炭化水素の分圧は、メタン４．３ｋｇ／ｃ
ｍ2 ａｂｓ，エタン０．０１８ｋｇ／ｃｍ2 ａｂｓ，プ
ロパン３×１０-4ｋｇ／ｃｍ2 ａｂｓである。したがっ
て、ガス酸素中への飽和含有濃度は、各々の分圧を全圧
１０ｋｇ／ｃｍ2 Ｇで除して、メタン３９％，エタン
０．１６％，プロパン２７ｐｐｍであり、実際に含有さ
れる濃度よりはるかに大きいことから、これらの炭化水
素は、ガス酸素中に気化同伴されて酸素ガス導出管３８
から製品酸素ガスと共に導出される。
【００２８】このように、上部塔３１の下部に洗浄部３
２を設け、該洗浄部３２の上部から液化酸素の一部を抜
出して主凝縮蒸発器３３に供給するとともに、該主凝縮
蒸発器３３で気化した酸素ガスを洗浄部３２の下部に導
入するように構成したことにより、上昇する酸素ガス中
に含まれる炭化水素等を下降する液化酸素中に取込んで
酸素ガス中から除去することができ、上部塔３１の精留
段における炭化水素等の量、すなわち、主凝縮蒸発器３
３に供給される液化酸素中の炭化水素等の濃度を前述の
吸着精製設備３の出口濃度に略等しい濃度に保つことが
できる（この場合、吸着精製設備３の出口の原料空気量
と上部塔３１の精留段を流下する流量との比だけ炭化水
素等が濃縮されている。）。
【００２９】したがって、主凝縮蒸発器３３内で液化酸
素が気化するのと同時に炭化水素等も全量が気化するた
め、主凝縮蒸発器３３内に炭化水素等が蓄積することが
なくなるので、サブマージェンスを大きくして主凝縮蒸
発器３３の伝熱面を液化酸素で洗う必要がなくなる。こ
れにより、主凝縮蒸発器３３のサブマージェンスを小さ
く設定することが可能となり、主凝縮蒸発器３３の酸素
通路のコア出口で液化酸素が完全に気化するドライ方式
で運転でき、液化酸素の液面を主凝縮蒸発器３３の下部
まで下げることが可能になる。
【００３０】すなわち、主凝縮蒸発器３３における液化
酸素の液面を、主凝縮蒸発器コアの全高に対して５０％
以下に設定することができ、例えば、従来、コア全高が
約２０００ｍｍの場合、サブマージェンスが２０００ｍ
ｍ程度必要だったものを０〜２００ｍｍ程度にすること
が可能になる。
【００３１】このように、主凝縮蒸発器３３のサブマー
ジェンスを小さく設定することにより、該主凝縮蒸発器
３３における液化酸素の液深による気化温度の上昇を小
さくすることができ、これにより、液化酸素と熱交換す
る下部塔頂部の窒素ガスの圧力、すなわち、原料空気圧
縮圧を下げることができ、電力原単位を低減することが
できる。
【００３２】なお、上記形態例において、下部塔頂部の
窒素ガスは、前述のように、図１の管１０で導出される
下部塔頂部の窒素ガスは勿論、図示は省略するが、該下
部塔６の頂部より数段下から高純度窒素ガスを抜出した
場合も含むものである。
【００３３】図２は、主凝縮蒸発器部分の酸素の流れの
他の形態例の要部を示すもので、上部塔４１の精留段の
下部に液化酸素溜４２を設けて精留分離した液化酸素の
全量を液化酸素供給管４３に導出し、その一部、例えば
２０％を流量調節弁４４を有する管４５に分岐して洗浄
部４６の上部に導入するように構成している。また、主
凝縮蒸発器４７で気化した酸素ガスは、管４８から前記
洗浄部４６の下部に導入し、該洗浄部４６で液化酸素に
より洗浄した後、管４９から上部塔４１の精留段の下部
に導入するようにしている。
【００３４】そして、洗浄部４６の下方に流下した炭化
水素等を含む液化酸素は、前記同様に、液化酸素導出管
３６に導出され、ポンプ３７で昇圧された後、主熱交換
器４で気化，昇温し、酸素ガス導出管３８から所定圧力
の製品酸素ガスとして導出される。
【００３５】なお、ポンプ３７で昇圧した液化酸素を気
化，昇温させる熱交換器は、前記主熱交換器４とは別に
設けてもよく、熱交換する流体も、空気に限らず、昇圧
した窒素ガスを用いるようにしてもよい。
【００３６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の酸素ガス
の製造方法及び装置によれば、液化酸素をポンプで昇圧
して気化昇温後に導出するにあたり、洗浄部の下部から
炭化水素等を濃縮した液化酸素を導出して昇圧するよう
にしたので、主凝縮蒸発器部分の液化酸素中に炭化水素
が一定濃度以上に濃縮することを防止でき、主凝縮蒸発
器の伝熱面を液化酸素で洗う必要がなくなり、主凝縮蒸
発器におけるサブマージェンスを小さくして液深の影響
を最小に抑えることができる。これにより、熱交換効率
を向上させて窒素ガス圧力（下部塔圧力）を低くするこ
とが可能となり、原料空気を昇圧する圧縮機の動力削減
による運転コストの低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一形態例を示す酸素ガス製造装置の
系統図である。
【図２】 他の形態例を示す要部の系統図である。
【図３】 従来の酸素ガス製造装置の一例を示す系統図
である。
【符号の説明】
１…空気圧縮機、２…冷却器、３…吸着精製設備、４…
主熱交換器、６…下部塔、８…膨張弁、１４…膨張弁、
１８…膨張タービン、２４…昇圧機、２５…膨張弁、３
１…上部塔、３２…洗浄部、３３…主凝縮蒸発器、３４
…液化酸素供給管、３５…酸素ガス導入管、３６…液化
酸素導出管、３７…ポンプ、３８…酸素ガス導出管、３
９…流量調節弁

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 圧縮，精製，冷却した原料空気を、下部
    塔，上部塔及び主凝縮蒸発器を備えた複精留塔に導入し
    て液化精留分離を行い、前記下部塔頂部に分離する窒素
    ガスと前記上部塔底部に分離する液化酸素とを前記主凝
    縮蒸発器で熱交換させることにより前記窒素ガスを液化
    し、かつ、前記液化酸素を気化するとともに、前記上部
    塔底部の液化酸素の一部をポンプで昇圧し、気化昇温後
    に製品酸素ガスとして導出する酸素ガス製造方法におい
    て、前記上部塔の下部に上昇ガス中に含まれる炭化水素
    を下降液で洗浄除去する洗浄部を設け、該洗浄部の上部
    から下降液である液化酸素の一部を抜出して前記主凝縮
    蒸発器に供給し、該主凝縮蒸発器で前記窒素ガスと熱交
    換させることにより前記液化酸素を気化して前記洗浄部
    の下部に上昇ガスとして導入するとともに、前記上部塔
    底部から液化酸素を導出してポンプで昇圧後、気化，昇
    温して導出することを特徴とする酸素ガス製造方法。
  2. 【請求項２】 圧縮設備，精製設備，冷却設備を備えた
    原料空気供給系統を経た原料空気を、下部塔，上部塔及
    び主凝縮蒸発器を備えた複精留塔に導入して液化精留分
    離を行うことにより酸素ガスを製造する酸素ガス製造装
    置において、前記上部塔の下部に上昇ガス中に含まれる
    炭化水素を下降液で洗浄除去する洗浄部を設け、該洗浄
    部の上部と前記主凝縮蒸発器との間に、上部塔の下降液
    である液化酸素の一部を抜出して前記主凝縮蒸発器に供
    給する液化酸素供給管を設け、前記洗浄部の下部と前記
    主凝縮蒸発器との間に、該主凝縮蒸発器で前記窒素ガス
    と熱交換して気化した酸素ガスを上部塔に上昇ガスとし
    て導入する酸素ガス導入管を設けるとともに、前記上部
    塔底部の液化酸素を導出する液化酸素導出管と、導出し
    た液化酸素を昇圧するポンプと、該ポンプで昇圧した液
    化酸素を気化，昇温する熱交換流路と、気化した酸素ガ
    スを導出する酸素ガス導出管とを設けたことを特徴とす
    る酸素ガス製造装置。
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