![]() Unite de production d'oxygene a l'etat gazeux
专利摘要:
公开号:WO1987001185A1 申请号:PCT/JP1986/000410 申请日:1986-08-08 公开日:1987-02-26 发明作者:Akira Yoshino 申请人:Daidousanso Co., Ltd.; IPC主号:F25J3-00
专利说明:
[0001] 明 細 書 [0002] 発明の名称 [0003] 酸素ガス製造装置 [0004] 産業上の利用分野 [0005] 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。 [0006] 従来の技術 [0007] 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。 [0008] 発明が解決しょうとする問題点 [0009] 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。 [0010] 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。 [0011] 発明の開示 [0012] 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。 [0013] 発明の効果 [0014] 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。 [0015] 図面の簡単な説明 [0016] 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 [0017] この発明を実施例にもとづいて詳しく説明する。 [0018] 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。 [0019] 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 [0020] 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 [0021] 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。 [0022] 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。 ' [0023] ' 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 [0024] 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 [0025] 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。 [0026] 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 [0027] 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。 [0028] 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。 [0029] 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。 [0030] 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。
权利要求:
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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公开号 | 公开日 EP0235295B1|1989-06-14| US4732595A|1988-03-22| EP0235295A1|1987-09-09| EP0235295A4|1987-12-09| DE3663997D1|1989-07-20|
引用文献:
公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
法律状态:
1987-02-26| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): DE GB NL US | 1987-02-26| AL| Designated countries for regional patents|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): DE FR GB NL | 1987-04-22| WWE| Wipo information: entry into national phase|Ref document number: 1986904929 Country of ref document: EP | 1987-09-09| WWP| Wipo information: published in national office|Ref document number: 1986904929 Country of ref document: EP | 1988-03-24| REG| Reference to national code|Ref country code: DE Ref legal event code: 8642 | 1989-06-14| WWG| Wipo information: grant in national office|Ref document number: 1986904929 Country of ref document: EP |
优先权:
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申请号 | 申请日 | 专利标题 JP60/186313||1985-08-23|| JP18631385A|JPH0781780B2|1985-08-23|1985-08-23|酸素ガス製造装置|DE19863663997| DE3663997D1|1985-08-23|1986-08-08|Oxygen gas production unit| 相关专利
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