(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体酸素を臨界圧力以上の圧力に加圧した後、熱交換器に低温側流体として導入し、熱交換器内で、全流域を通じて高温側流体との温度差が２０℃以下となる状態で臨界温度以上まで昇温させて取り出すことを特徴とする酸素の製造方法。
【請求項２】
熱交換器としてアルミ鑞付けプレートフィン熱交換器が用いられたことを特徴とする請求項１記載の酸素の製造方法。
【請求項３】
空気分離装置の精留塔で作られた液体酸素を精留塔から取出してポンプで臨界圧力以上の圧力まで加圧することを特徴とする請求項１または２記載の酸素の製造方法。
【請求項４】
液体酸素を８．０４９ＭＰａ以上に加圧することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の酸素の製造方法。
【請求項５】
熱交換器内での酸素流速を０．５ｍ／ｓｅｃ〜５ｍ／ｓｅｃの範囲とすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の酸素の製造方法。
【請求項６】
負荷変動がある状態下で液体酸素を導入することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の酸素の製造方法。
【請求項７】
熱交換器に導入する高温側流体として臨界圧以上の圧力をもった空気を用いることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の酸素の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は深冷蒸留法等で得られた液体酸素を加圧し昇温させて高圧の酸素を製造する酸素の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高圧のガス酸素を製造する最も一般的な方法は、低圧のガス状態で取り出した酸素を酸素圧縮機で所定圧力まで加圧する方法である。
【０００３】
しかし、この方法によると、圧縮時の圧縮熱によって高温になる酸素と圧縮機材料等との反応性が高くなるため安全上の問題があり、その設備費とともにメンテナンス費が大きな負担となる。
【０００４】
一方、この問題を回避する方法として、空気分離装置で得られた液体酸素を加圧した後、熱交換器で昇温させる方法が知られている。
【０００５】
この場合、具体的な方法として、従来は、液体酸素をポンプで加圧した後、アルミ鑞付けプレートフィン熱交換器で高温流体（たとえば加圧した原料空気）との熱交換により蒸発させる方法（以下、前加圧法という）がとられている。
【０００６】
アルミ鑞付け熱交換器は、熱伝導性が良くて多流体熱交換器として使用が可能であり、かつ、伝熱面積に対してコンパクトでしかも低コストで提供できるため、この前加圧法におけるキーハードとなっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このアルミ鑞付けプレートフィン熱交換器を使用する前加圧法によると、鑞付け構造ゆえに繰り返し応力に弱いとされるアルミ鑞付けプレートフィン熱交換器の保護の意味で発生応力を低く抑える必要があるため、高い圧力が加わる系には使用されていなかった。
【０００８】
このため、より高圧の酸素を得たい場合は、前加圧法ではせいぜい３．５ＭＰａ程度までの加圧にとどめ、それ以降の昇圧を酸素圧縮機に頼っていた（以下、この方法を前加圧法に対して後加圧併用法という）。
【０００９】
この結果、熱交換器の応力負担は小さくなるものの前記した酸素圧縮機を用いることの安全面、コスト面の不利点は残るため、この点の改善が求められていた。
【００１０】
そこで本発明は、コスト面等で有利な前加圧法をとりながら、熱交換器での熱応力を低下させることができ、これにより酸素を必要な圧力まで安全に昇圧させることができる酸素の製造方法を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、液体酸素を臨界圧力以上の圧力に加圧した後、熱交換器に低温側流体として導入し、熱交換器内で、全流域を通じて高温側流体との温度差が２０℃以下となる状態で臨界温度以上まで昇温させて取り出すものである。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１の方法において、熱交換器としてアルミ鑞付けプレートフィン熱交換器が用いられたものである。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１または２の方法において、空気分離装置の精留塔で作られた液体酸素を精留塔から取出してポンプで臨界圧力以上の圧力まで加圧するものである。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかの方法において、液体酸素を８．０４９ＭＰａ以上に加圧するものである。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれかの方法において、熱交換器内での酸素流速を０．５ｍ／ｓｅｃ〜５ｍ／ｓｅｃの範囲とするものである。
【００１６】
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれかの方法において、負荷変動がある状態下で液体酸素を導入するものである。
【００１７】
請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれかの方法において、熱交換器に導入する高温側流体として臨界圧以上の圧力をもった空気を用いるものである。
【００１８】
この方法によると、上記のように液体酸素（酸素濃度が高い液体をいう）を臨界圧力（５．０４３ＭＰａ）以上まで昇圧させて熱交換器（請求項２ではアルミ鑞付けプレートフィン熱交換器）に導入し、臨界温度以上まで昇温させるため、昇温していく段階でいわゆる超臨界流体の状態となり、熱交換器内で酸素の相変化が起こらない。
【００１９】
この点を詳述すると、図２に示すように、臨界圧力以下の低温側流体イが加温され、液体から気体へ相変化する場合、潜熱の存在により流体温度があまり変化しない蒸発域が存在する。
【００２０】
これに対し、臨界圧力以上の低温側流体ロが加温される場合は、沸点・潜熱が存在せず、液体が超臨界流体となる。この超臨界流体の状態では蒸発域がなく、いわゆる相変化が存在しないため、高温側流体との熱交換量とともに低温側流体の温度もなだらかに上昇する。
【００２１】
ここで、熱交換器内の温度分布は、各流体の温度によって決定されるため、低温側流体が臨界圧力以下の場合は、図３に示すように低温側流体と高温側流体の温度差ΔＴが大きいため部材の熱収縮量の差によって大きな熱応力が発生し、熱交換器が破壊することがある。
【００２２】
一方、臨界圧力以上の流体では、図４に示すように両流体間の温度差ΔＴが小さくて発生する熱応力も小さいため、比較的弱い熱交換器の使用も可能となる。
【００２３】
具体的には、熱交換器内の高温側と低温側の温度を全流域を通じて２０℃以下とすることにより、熱交換器に作用する応力を抑制することができる。
【００２４】
すなわち、コスト面等で有利な前加圧法をとりながら、熱交換器（代表として請求項２のアルミプレートフィン熱交換器）の安全性を確保し、しかも必要な高圧状態を得ることが可能となる。
【００２５】
とくに、請求項４のように液体酸素を臨界圧力を大幅に超える８．０４９ＭＰａ以上に加圧することにより、系内の圧力損失に比べて運転圧力が比較的高いことから安定した運転が可能となるため超臨界流体の状態がより安定し、熱交換器の応力軽減効果がより確実なものとなる。
【００２６】
また、請求項５のように熱交換器内での酸素の流速を安全基準流速である５ｍ／ｓｅｃ以下（下限値は０．５ｍ／ｓｅｃ）とすることにより、酸素を安全に熱交換させることが可能になる。
【００２７】
さらに、上記のように熱交換器に相変化による熱応力が作用しないことにより、請求項６のように負荷変動（昼間と夜間のような酸素流量の変動等）がある状況下で使用しても、熱交換器がこれによる応力に十分耐えうることになる。
【００２８】
すなわち、比較的大きな負荷変動がある状況下でも熱交換器の安全性を確保しながら運転を継続することができる。
【００２９】
この場合、加圧・加温前の液体酸素として空気分離装置で得られた液体酸素を用いる請求項３の方法によると、空気分離装置の中の１プロセス（内部昇圧プロセス）として高圧酸素を得ることができるため、別設備として構成する場合と比較して、設備コストが安くてすむとともに、製造効率が良く、かつ、製造コストが安くてすむ。
【００３０】
また、請求項７のように、高温側流体（加温側流体）としてたとえば空気分離装置において原料として必要な空気を超臨界圧力以上に加圧し、圧力、流量バランスを調整して用いることにより、熱交換器内の臨界圧力以上の低温流体との温度差を極端に小さくすることが可能となり、局部応力を極端に減少させることが可能となる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の実施形態によるプロセスフローを示す。
【００３２】
ここでは、空気分離装置の中の１プロセス（内部昇圧プロセス）として高圧酸素を得るようにしている。
【００３３】
まず、空気分離装置全体の構成と作用を簡単に説明する。
【００３４】
原料空気濾過器１で濾過されかつ原料空気圧縮機２で必要圧力まで加圧された原料空気は、予冷器３で予冷され、吸着装置４で水分等の不要成分を除去された後、コールドボックス内の主熱交換器５に入る。６は再生ガス加熱器である。
【００３５】
この主熱交換器５によって沸点近くまで冷却された原料空気は、精留塔７の高圧塔（下塔）８に入り、この高圧塔８内を上昇する間に還流液との接触により次第に窒素濃度を高め、頂部では酸素含有量の少ない窒素ガスとなって主凝縮器９に導入され、ここで液体酸素との熱交換により凝縮し還流液として高圧塔頂部に再度供給される。
【００３６】
塔頂の液体窒素の一部は塔外に抜き出され、過冷却器１１により過冷却された後、減圧され、低圧塔１０に供給される。
【００３７】
高圧塔８の底部からは液体空気が同様に抜き出されて過冷却された後、減圧され、低圧塔１０に供給される。
【００３８】
低圧塔１０では、高圧塔８と同様に精留作用が行われて、塔頂部は富窒素組成、塔底部は富酸素組成となる。
【００３９】
低圧塔頂部の窒素は、ガス状態で取り出されて主熱交換器５の低温側に供給され、常温まで加熱されて製品窒素として取り出される。
【００４０】
次に、この空気分離装置内の一つのプロセスである酸素製造プロセスを説明する。
【００４１】
上記精留作用によって得られた酸素は低圧塔底部から液体（富酸素液体）の状態で取り出され、ポンプ１２により臨界圧力である５．０４３ＭＰａ以上まで加圧された後、アルミ鑞付けプレートフィン熱交換器である酸素熱交換器１３に導入される。
【００４２】
酸素熱交換器１３には、高温側流体として原料空気の一部がブースタコンプレッサ１４により所定の圧力（熱交換器１３での熱交換作用に適した圧力。好ましくは臨界圧力以上の圧力）に加圧されて供給され、上記のように臨界圧力以上の圧力に加圧された高圧酸素とこの原料空気との間での熱交換作用が行われる。
【００４３】
高圧酸素は、この昇温の過程で臨界温度以上まで昇温されて超臨界流体の状態となり、酸素熱交換器１３から高圧の製品酸素として取り出される。
【００４４】
このように、精留塔７で作られた液体酸素を臨界圧力以上まで昇圧させて酸素熱交換器１３に導入し、昇温させて超臨界流体の状態とするため、前記したようにこの熱交換器１３内で酸素の相変化が起こらない。
【００４５】
従って、この相変化による応力変動がなくなるため、熱交換器１３の応力負担を軽減し、熱交換器１３が他の原因（昼夜間での流量変化等）による負荷変動に十分耐え得ることとなる。
【００４６】
ここで、図３，４で概念的に示した温度と熱交換量の関係をさらに具体的に説明する。
【００４７】
本発明者の実験によると、液体酸素を臨界圧力以下（０．６１ＭＰａ）の状態で熱交換器内に導入した場合は、図５，６に示すように低温側流体（△点）の蒸発域の存在から高温側流体（○点）との温度差が大きくなり、最大で約４０゜Ｃにも達した。
【００４８】
これに対し、臨界圧力以上の８．１４ＭＰａに加圧した酸素の熱交換では、図７，８に示すように流体間温度差が最大でも１２゜Ｃとなり、低圧の場合の約３分の１程度まで小さくすることができた。
【００４９】
【発明の効果】
上記のように本発明によるときは、液体酸素を臨臨界圧力（５．０４３ＭＰａ）以上まで昇圧させて熱交換器（最も好適な例として請求項２のアルミ鑞付けプレートフィン熱交換器）に導入し、熱交換器内で、全流域を通じて高温側流体との温度差が２０℃以下となる状態で臨界温度以上まで昇温させて取り出すため、昇温していく段階でいわゆる超臨界流体の状態となり、熱交換器内で酸素の相変化が起こらず、熱交換器の応力負担を軽減することができる。
【００５０】
すなわち、コスト面等で有利な前加圧法をとりながら、熱交換器の安全性を確保し、しかも必要な高圧状態を得ることが可能となる。
【００５１】
とくに、請求項４の発明のように液体酸素を臨界圧力を大幅に超える８．０４９ＭＰａ以上に加圧することにより、系内の圧力損失に比べて運転圧力が比較的高いことから安定した運転が可能となるため超臨界流体の状態がより安定し、熱交換器の応力軽減効果がより確実なものとなる。
【００５２】
また、請求項５の発明のように熱交換器内での酸素の流速を安全基準流速である５ｍ／ｓｅｃ以下（下限値は０．５ｍ／ｓｅｃ）とすることにより、酸素を安全に熱交換させることが可能になる。
【００５３】
さらに、上記のように熱交換器に相変化による熱応力が作用しないことにより、請求項６の発明のように負荷変動（昼間と夜間のような酸素流量の変動等）がある状況下で使用しても、熱交換器がこれによる応力に十分耐えうることになる。
【００５４】
すなわち、比較的大きな負荷変動がある状況下でも熱交換器の安全性を確保しながら運転を継続することができる。
【００５５】
この場合、加圧・加温前の液体酸素として空気分離装置で得られた液体酸素を用いる請求項３の発明によると、空気分離装置の中の１プロセス（内部昇圧プロセス）として高圧酸素を得ることができるため、別設備として構成する場合と比較して、設備コストが安くてすむとともに、製造効率が良く、かつ、製造コストが安くてすむ。
【００５６】
また、請求項７の発明のように、高温側流体としてたとえば空気分離装置において原料として必要な空気を超臨界圧力以上に加圧し、圧力、流量バランスを調整して用いることにより、熱交換器内の臨界圧力以上の低温流体との温度差を極端に小さくすることが可能となり、局部応力を極端に減少させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明が実施される空気分離装置のフローシートである。
【図２】  熱交換器内での流体の温度と圧力の関係を示す図である。
【図３】  低温側流体が臨界圧力以下の場合における熱交換器内での流体温度と熱交換量の関係を概念的に示す図である。
【図４】  低温側流体が臨界圧力以上の場合における熱交換器内での流体温度と熱交換量の関係を概念的に示す図である。
【図５】  酸素圧力が０．６１ＭＰａの場合における流体温度と熱交換量の関係を具体的に示す図である。
【図６】  酸素圧力が０．６１ＭＰａの場合における流体温度差と熱交換量の関係を具体的に示す図である。
【図７】  酸素圧力が８．１４ＭＰａの場合における流体温度と熱交換量の関係を具体的に示す図である。
【図８】  酸素圧力が８．１４ＭＰａの場合における流体温度差と熱交換量の関係を具体的に示す図である。
【符号の説明】
７  空気分離装置の精留塔
８  精留塔の高圧塔
１０  同低圧塔
１２  精留塔で作られた液体酸素を臨界圧以上まで加圧するポンプ
１３  加圧された酸素を加温する熱交換器（アルミ鑞付けプレートフィン熱交換器）
【図１】
0003715497.tif 000002
【図２】
0003715497.tif 000003
【図３】
0003715497.tif 000004
【図４】
0003715497.tif 000005
【図５】
0003715497.tif 000006
【図６】
0003715497.tif 000007
【図７】
0003715497.tif 000008
【図８】
0003715497.tif 000009