(57)【要約】【課題】ポンプのような汚染する危険性がある機械を使用せずに、連続的かつ高い熱効率で、原料ガスを精留して得られた液化ガスを製品ガスとして供給することができるガス製造システムを提供する。【解決手段】ガス製造システム１００は、精留部から取り出した液化ガスが供給される単一の加圧容器３１と、加圧容器３１内の液化ガスの一部を取り出して気化させ、加圧容器３１に戻すための加圧ラインと、当該加圧ラインに配置される第２の熱交換部３２とを有する単一の加圧装置３０と、加圧容器３１から導出された液化ガスを貯蔵する液化ガス貯蔵部４１とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部より取り入れた原料ガスを冷却する第１の熱交換部と、前記第１の熱交換部において冷却することにより得られた原料液化ガスを精留して液化ガスを得るための１または２以上の精留塔を有する精留部を備えるガス製造システムであって、
前記精留部から取り出した液化ガスが供給される単一の加圧容器と、前記加圧容器内の液化ガスの一部を取り出して気化させ、前記加圧容器に戻すための加圧ラインと、当該加圧ラインに配置される第２の熱交換部と、を有する単一の加圧装置と、
前記加圧装置の前記加圧容器から導出された液化ガスを貯蔵する液化ガス貯蔵部と、
前記液化ガス貯蔵部から前記第１の熱交換部を経由させ前記原料ガスと熱交換させることにより温度上昇させ製品ガスとして供給するための製品ガス取出ラインと、を備えるガス製造システム。
【請求項２】
前記原料ガスを前記第１の熱交換部を経由して前記精留部へ供給する原料ガス供給ラインと、
前記原料ガス供給ラインの前記第１の熱交換部の上流側に設置される原料ガス流量計測部と、
前記原料ガス供給ラインの上流に設置され、前記原料ガス流量計測部で計測された流量に基づいて前記原料ガスの供給量を制御する第１の制御弁と、
前記製品ガス取出ラインの前記第１の熱交換部の下流側に設置される製品ガスに関する値を測定する製品ガス測定部と、
前記製品ガス取出ラインに設置され、前記製品ガス測定部で測定された結果に基づいて前記製品ガスの取出量を制御する第２の制御弁と、を備える請求項１に記載のガス製造システム。
【請求項３】
前記ガス製造システムは、さらに、
前記精留塔の内、最上流側の精留塔の塔上部から取り出された廃ガス（リサイクル原料ガス）を圧縮するリサイクル原料ガス圧縮機と、
前記最上流側の精留塔の塔上部から取り出された廃ガスまたは前記廃ガスの取り出し位置と異なる位置から取り出された廃ガスを膨張するオイルブレーキを備えた膨張タービンと、
前記製品ガス取出量の変動に応じて、第１の熱交換器に提供される寒冷量を制御する制御部と、を備える請求項１または２に記載のガス製造システム。
【請求項４】
前記最上流側の精留塔の塔上部に配置される第１凝縮器と、当該前記第１凝縮部よりの低い位置に配置される第２凝縮器とをさらに備え、
前記リサイクル原料ガス圧縮機が、前記第１凝縮器のある位置から取り出された廃ガス（リサイクル原料ガス）を圧縮し、
前記オイルブレーキを備えた膨張タービンが、前記第２凝縮器のある位置から取り出された廃ガスを膨張する、請求項３に記載のガス製造システム。
【請求項５】
前記最上流側の精留塔の塔上部に配置される単一の凝縮器をさらに備え、
前記リサイクル原料ガス圧縮機が、前記凝縮器のある位置から取り出された廃ガスを圧縮し、
前記オイルブレーキを備えた膨張タービンが、前記凝縮器のある位置から取り出された廃ガスを膨張する、請求項３に記載のガス製造システム。
【請求項６】
前記精留塔の塔上部に、液体窒素あるいは液体酸素を導入する導入ラインをさらに備える、請求項１または２に記載のガス製造システム。
【請求項７】
前記第１の熱交換部の後段に、前記原料液化ガスを貯蔵する原料液化ガスバッファを備える請求項１〜６のいずれか１項に記載のガス製造システム。
【請求項８】
前記制御部は、前記製品ガス流量計測部で計測された製品ガスの流量から、第１の熱交換部で回収される寒冷を算出し、算出された前記寒冷に基づいて前記前記オイルブレーキ備えた膨張タービンを制御する、請求項３〜５のいずれか１項に記載のガス製造システム。
【請求項９】
前記制御部は、前記寒冷に応じて、前記膨張タービンの流量を制御し、または、オイルブレーキの負荷を制御する、請求項８に記載のガス製造システム。
【請求項１０】
前記製品ガス取出ラインの前記第１の熱交換部より前段で分岐された分岐ラインと、
前記分岐ラインに設置され、かつ前記分岐ラインおよび／または前記製品ガス取出ラインへ前記液化ガスの送り込みを切り替える仕切弁と、
前記分岐ラインおよび／または前記製品ガス取出ラインへ前記液化ガスを送り込むために前記仕切弁を制御する取出制御部と、
前記分岐ラインに配置される第３の熱交換部と、を備えている請求項１〜９のいずれか１項に記載のガス製造システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原料ガスを精留して得られた液化ガスを製品ガスとして供給するガス製造システムに関する。液化ガスとしては、例えば、液体酸素、液体窒素、液体アルゴンなどが挙げられる。
【背景技術】
【０００２】
空気から液体窒素を製造する一般的な空気分離装置として特許文献１および２がある。特許文献１の空気分離装置は、製造された高純度液体酸素を低圧精留塔の圧力（例えば約１．５ｂａｒＡ）で空気分離装置外の高純度液体酸素タンクに貯蔵する。高純度液体酸素は、高純度液体酸素ポンプを用いて昇圧され、空気分離装置の主熱交換器において原料空気等との熱交換によって蒸発され、高圧ガス酸素として供給される。
【０００３】
また、特許文献２の空気分離装置は、製造された高純度液体酸素を加圧装置に充填する。この加圧装置は、２つ以上の高純度液体酸素加圧容器と、密閉された加圧容器中の高純度液体酸素の一部を蒸発させることによって高純度液体酸素を加圧する蒸発器を備える。加圧装置では、高純度液体酸素の加圧容器へ充填、加圧、高純度液体酸素を供給、脱圧の各工程を含むバッチサイクルを一連の基本動作としている。そのため、単一の加圧容器では連続的に高純度液体酸素を供給することはできないが、２つ以上の加圧容器を組み合わせ、それらの切替を行うことによって連続的な高純度酸素の供給が実現されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５，５９６，８８５号
【特許文献２】国際公開第２０１４／１７３４９６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１では、高純度液体酸素を昇圧するためにポンプを使用している。このポンプの構造上酸素への不純物混入の可能性があり、とりわけ高純度酸素の昇圧においては非常に汚染の影響が懸念されていた。また、特許文献２において、酸素製造コロンから加圧容器へは液ヘッドを利用して高純度液体酸素を供給するので、加圧容器は空気分離装置コールドボックス中かつ酸素製造コロンの下部に置く必要があったので、加圧容器は容量の制限を受けていた。また、２つ以上の加圧容器を置くことで、コールドボックスの巨大化を招き、また２つ以上の加圧容器の切替のために多数の切替弁が必要であるなど設備コストが高くなってしまい、さらに環境からの熱侵入による熱効率低下の問題があった。
【０００６】
高純度液体酸素製造の場合のみならず、他の低温液化ガス、例えば、液体窒素、液体アルゴンを供給する場合でも昇圧ポンプの使用による同様の問題が指摘されている。
【０００７】
上記実態を鑑みて、本発明は、ポンプのような汚染する危険性がある機械を使用せずに、連続的かつ高い熱効率で、原料ガスを精留して得られた液化ガスを製品ガスとして供給することができるガス製造システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、外部より取り入れた原料ガスを冷却する第１の熱交換部と、前記第１の熱交換部において冷却することにより得られた原料液化ガス（液体状態）を精留して液化ガスを得るための１または２以上の精留塔を有する精留部を備えるガス製造システムであって、
前記精留部から取り出した液化ガスが供給される単一の加圧容器と、前記加圧容器内の液化ガスの一部を取り出して気化させ、前記加圧容器に戻すための加圧ラインと、当該加圧ラインに配置される第２の熱交換部（例えば、気化器または圧力調整弁）と、を有する単一の加圧装置と、
前記加圧装置の前記加圧容器から導出された液化ガスを貯蔵する液化ガス貯蔵部と、
前記液化ガス貯蔵部から前記第１の熱交換部を経由させ前記原料ガスと熱交換させることにより温度上昇させ製品ガスとして供給するための製品ガス取出ラインと、を備える。
【０００９】
本発明において、ガス製造システムは、さらに、
前記原料ガスを前記第１の熱交換部を経由して前記精留部へ供給する原料ガス供給ラインと、
前記原料ガス供給ラインの前記第１の熱交換部の上流側に設置される原料ガス流量計測部と、
前記原料ガス供給ラインの上流に設置され、前記原料ガス流量計測部で計測された流量に基づいて前記原料ガスの供給量を制御する第１の制御弁と、
前記製品ガス取出ラインの前記第１の熱交換部の下流側に設置される製品ガスに関する値を測定する製品ガス測定部と、
前記製品ガス取出ラインに設置され、前記製品ガス測定部で測定された結果に基づいて前記製品ガスの取出量を制御する第２の制御弁と、を備えていてもよい。
前記製品ガス測定部は、例えば、製品ガスの流量を測定する流量測定部、製品ガスの圧力を測定する圧力測定部、製品ガスの所定ガスの濃度を測定する濃度測定部の内いずれか単体あるいは１以上の組み合わせであってもよい。
【００１０】
本発明において、ガス製造システムは、さらに、
前記精留塔の内、最上流側の精留塔の塔上部から取り出された廃ガス（リサイクル原料ガス）を圧縮するリサイクル原料ガス圧縮機と、
前記最上流側の精留塔の塔上部から取り出された廃ガスまたは前記廃ガスの取り出し位置と異なる位置から取り出された廃ガスを膨張するオイルブレーキを備えた膨張タービンと、
前記製品ガス取出量の変動に応じて、第１の熱交換器に提供される寒冷量を制御する制御部と、を備えてもいてもよい。
【００１１】
本発明の一実施形態として、前記最上流側の精留塔の塔上部に配置される第１凝縮器と、当該前記第１凝縮部よりの低い位置に配置される第２凝縮器とをさらに備え、
前記リサイクル原料ガス圧縮機が、前記第１凝縮器のある位置（例えばその上部空間）から取り出された廃ガス（リサイクル原料ガス）を圧縮し、
前記オイルブレーキを備えた膨張タービンが、前記第２凝縮器のある位置（例えばその上部空間）から取り出された廃ガスを膨張する構成であってもよい。
【００１２】
本発明の一実施形態として、前記最上流側の精留塔の塔上部に配置される単一の凝縮器をさらに備え、
前記リサイクル原料ガス圧縮機が、前記凝縮器のある位置から取り出された廃ガスを圧縮し、
前記オイルブレーキを備えた膨張タービンが、前記凝縮器のある位置から取り出された廃ガスを膨張する構成であってもよい。
【００１３】
本発明の一実施形態として、前記精留塔の塔上部に、液体窒素あるいは液体酸素を導入する導入ラインをさらに備える構成であってもよい。この構成によれば、外部タンクに貯蔵された液体窒素または液体酸素を精留塔に導入できるため、より大きな負荷変動に対応できる。精留塔の下部にある酸素富化液化ガスが減少すると、その精留塔の塔頂部に配置された凝縮器に送られる酸素富化液化ガスも減少する。このような状況において、外部タンクに貯蔵された液体窒素または液体酸素を精留塔の塔頂部に導入することで、凝縮機能を維持させることができる。そして、本発明では、液化ガス貯蔵部から取り出した液化ガス（例えば高純度液体酸素）を第１の熱交換器で蒸発させることで寒冷を回収する。結果として、精留塔から寒冷源として供給される液体窒素量を削減することができる。
【００１４】
本発明において、前記液化ガス貯蔵部は、コールドボックスの外に配置されている。コールドボックスには、少なくとも第１の熱交換器、精留塔、膨張タービン、リサイクル原料ガス圧縮機が配置されていてもよい。
本発明において、リサイクル原料ガス圧縮機は、オイルブレーキを備えた膨張タービンと接続され、膨張タービンによって駆動されていてもよい。
本発明のガス製造システムは、膨張タービン一体型圧縮機、オイルブレーキを備えたブースターエキスパンダーを備えていてもよい。
本発明において、リサイクル原料ガスは、精留部の塔頂（第１凝縮器のエア空間）からリサイクル原料ガス圧縮機に送られて圧縮され、次いで、第１の熱交換器に送られ、次いで、精留塔の下部に戻ってもよい。
本発明において、廃ガスは、精留部の第１凝縮器より下方の第２凝縮器から第１の熱交換器を介して膨張タービンに送られて膨張され、次いで、第１の熱交換器に送られる。その後は、大気中に排出されてもよい。
本発明において、第１の熱交換器に導入される原料ガスは、コンプレッサーで所定圧力に圧縮されていてもよく、圧縮された後で不純物（例えば、水分、二酸化炭素など）が除去装置で除去されたものであってもよい。
【００１５】
本発明において、単一の加圧容器は、精留塔の下方に設置することが好ましい。
本発明のようなガス製造システムにおいて、製品ガスの製造量変動は液化ガス貯蔵部の容量によって調整され、例えば、大きな製造量変動のためには、より大きな容量の液化ガス貯蔵部が必要となる。これに対し特許文献２では、コールドボックス内に２つの加圧容器を配置したバッチ処理を連続的に行い製造変動に対応することが可能であるが、加圧容器は精留塔の下方に設置されるため、容量の制限を受けるか、またはコールドボックスの巨大化を招く。一方、本発明では、液化ガス貯蔵部がコールドボックス内に設置する必要がないため、容量の制限を受けず、またガス製造システムにおけるコールドボックスのサイズに影響を与えず、コールドボックスの巨大化を招くことがない。
また、本発明によれば、ポンプのような汚染する危険性がある機械を使用せずに、連続的かつ高い熱効率で、原料ガスを精留して得られた液化ガスを製品ガスとして供給することができる。
また、本発明のようなガス製造システムにおいて、寒冷を調整する必要性があり、コールドボックスへの侵入熱や熱交換器における熱ロスに対して、寒冷を供給し、プロセスの熱バランスを維持することは重要である。本発明によれば、液化ガス（例えば高純度液体酸素）の蒸発に伴う寒冷を効率的に回収し、ガス製造システム（例えば空気分離システム）の消費電力を削減できると共に、製品ガス（例えば、高圧高純度酸素ガス）の製造量変動に適応したプロセス制御を行うことができる。
【００１６】
また、本発明において、液化ガスの蒸発量に係る原料空気に対する制限を規定できる。
液化ガスの沸点より低い液化点をもつ原料空気の場合は、例えば、高純度液体酸素の場合に、モル流量比で約２％程度の高純度液体酸素の蒸発が可能であり、それ以上の量を蒸発するためには、液化ガスの沸点よりも高い液化点をもつ高圧の原料空気を供給しても良く、その高圧を得るために、原料空気を昇圧するための昇圧機を使用してもよい。
【００１７】
前記製品ガス取出ラインには、液化ガスを送り込むための自動開閉弁が設けられていてもよい。
前記加圧容器にその内圧を計測する圧力計と、前記圧力計の圧力値が所定値になるように、前記液化ガスを前記第２の熱交換器へ送り込むように前記加圧ラインに配置されている自動開閉弁を制御する弁制御部とが設けられていてもよい。
【００１８】
前記第１の熱交換部の後段に、前記原料液化ガスを貯蔵する原料液化ガスバッファを備えていてもよい。
前記原料液体ガスバッファは、前記原料液化ガスおよび前記リサイクル原料ガスが導入される精留塔の下部に設置されていてもよい。
以上の構成によれば、原料ガスの消費量の変動に連動して、第１の熱交換器における液化ガス（製品ガスとして取り出すための液化ガス）の蒸発量が変動する場合があるが、これに対して原料ガス（空気など）と熱交換する流体のライン上にバッファ（例えば液体空気バッファ）を適用し、ガス製造システム全体への熱負荷変動の影響を制限することができる。
【００１９】
前記制御部は、前記第１の制御弁に指令をし、前記原料ガスの供給量を制御してもよい。前記制御部は、前記原料ガス流量計測部で計測された流量に基づくフィードバック制御で、供給量の変動を減少するように制御してもよい。
前記制御部は、前記圧縮機におけるリサイクル原料ガスの流量を測定した流量値に基づいて、前記原料ガスの供給量を制御してもよい。
前記制御部は、前記製品ガス流量計測部で計測された製品ガスの流量から、第１の熱交換器で回収される寒冷量を算出し、算出された前記寒冷量に基づいて前記オイルブレーキ備えた膨張タービンを制御してもよい。
この構成によれば、製品ガス（高純度酸素）の流量から回収され得る寒冷量を算出し、ガス製造システム（空気分離機能部）の熱バランスを維持するためにさらに必要な寒冷量をプロセスバランスにより決定する。決定された寒冷量を得るように寒冷源を制御する。本発明において、寒冷源は、オイルブレーキを備えた膨張タービンである。
【００２０】
前記制御部は、前記寒冷量に応じて、前記膨張タービンの流量を制御し、または、オイルブレーキの負荷を制御してもよい。寒冷源であるオイルブレーキを備えた膨張タービンを制御する方法として、例えばブレーキングに使用されるオイル流量の制御によってオイルブレーキを調整してもよい。オイルブレーキは、コールドボックス外に熱を排出することによって寒冷を供給する機能を果たすことができる。また、寒冷源として発電機を備えた膨張タービンを利用する場合には、熱を発電機によって電気として回収することで寒冷を供給する機能を果たすようにしてもよい。
【００２１】
前記精留塔と前記リサイクル原料ガス圧縮機と前記第１の熱交換部との間で形成されるリサイクルガスラインに、リサイクルガスの流量を計測する流量計を設けていてもよい。
【００２２】
前記製品ガス取出ラインの前記第１の熱交換部より前段で分岐された分岐ラインと、
前記分岐ラインに設置され、かつ前記分岐ラインおよび／または前記製品ガス取出ラインへ前記液化ガスの送り込みを切り替える仕切弁（例えば、１つまたは１つ以上の自動開閉弁若しくは分岐弁）と、
前記分岐ラインおよび／または前記製品ガス取出ラインへ前記液化ガスの送り込むために前記仕切弁を制御する取出制御部と、
前記分岐ラインに配置される第３の熱交換部（気化器または圧力調整弁）と、を備えていてもよい。
前記分岐ラインの終端が前記製品ガス取出ラインへ接続されていてもよい。
前記取出制御部は、前記製品ガス流量計測部で計測された流量に基づいて、前記液化ガスを前記分岐ラインへ送り込むように前記仕切弁の開閉を制御してもよい。
前記取出制御部は、前記第１の熱交換部が停止している場合に、前記液化ガスを前記分岐ラインへ送り込むように前記仕切弁の開閉を制御してもよい。
【００２３】
原料ガスは、例えば、空気である。
ガス製造システムは、例えば、空気分離装置である。
液化ガスは、例えば、液体酸素、高純度液体酸素、液体窒素、高純度液体窒素、液体アルゴン、高純度液体アルゴンである。
製品ガスは、例えば、酸素ガス、窒素ガス、アルゴンガスであり、高圧ガスおよび／または高純度のガスであってもよい。
【００２４】
前記原料ガスは空気であり、
前記精留部は、液化空気を精留する高圧精留塔と、前記高圧精留塔から高沸点成分（例えばメタンなど）が除去された粗酸素を導出してさらに精留する低圧精留塔を有し、
前記低圧精留塔から取り出した高純度酸素は前記加圧装置により加圧され、前記液化ガス貯蔵部に導入されてもよい。
前記高圧精留塔は、窒素製造コロンであってもよい。窒素製造コロンから窒素（Ｎ２）を取り出すことができる。
前記低圧精留塔は、酸素製造コロンであってもよい。
【００２５】
前記各要素間は配管で接続されていていてもよく、配管または各ラインには、自動開閉弁、流量制御弁、圧力調整弁のいずれか一つまたは１つ以上の弁が設けられていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施形態１のガス製造システムの構成例を示す図である。
【図２】実施形態２のガス製造システムの構成例を示す図である。
【図３】実施形態３のガス製造システムの構成例を示す図である。
【図４】実施形態４のガス製造システムの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下に本発明のいくつかの実施形態について説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の一例を説明するものである。本発明は以下の実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形形態も含む。なお、以下で説明される構成の全てが本発明の必須の構成であるとは限らない。
【００２８】
（実施形態１）
本実施形態において、図１に示すように、ガス製造システム１は、高純度液体酸素を製造する空気分離装置の各要素を備える。
ガス製造システム１００は、外部より取り入れた空気を第１の熱交換部１３を経由して高圧精留塔２１へ供給する空気供給ラインＬ１を有する。第１の熱交換部１３において、空気は冷却され液化空気となり、高圧精留塔２１の下部へ送られる。高圧精留塔２１からラインＬ２を通じて低圧精留塔２２の上部へ高沸点成分（例えばメタンなど）が除去された粗酸素が送られる。
【００２９】
低圧精留塔２２で蒸気流を得るために、高圧精留塔２１の原料液体空気バッファ２１１からラインＬ３およびそれから分岐した分岐ラインＬ３１を通じて液化空気が熱源として低圧精留塔２２の下部に設置された高純度酸素蒸発器２２４に供給される。液化空気は、その後ラインＬ４を通じてラインＬ３に合流し、第１蒸発器２１３に導入される。
【００３０】
低圧精留塔２２で高純度液体酸素が得られ、ラインＬ５を通じて加圧装置３０の加圧容器３１へ送られる。加圧容器３１内の高純度液体酸素の一部は加圧ラインＬ５１を通じて、第２の熱交換部３２へ送られる。第２の熱交換器３２で高純度液体酸素が気化され、加圧ラインＬ５１を通じて加圧容器３１へ戻る。なお、分岐ラインＬ５２を通じて、低圧精留塔２２へその気化された高純度液体酸素の一部が戻るように構成されていてもよい。
本実施形態において、加圧容器３１にその内圧を計測する圧力計（不図示）と、圧力計の圧力値が所定値になるように、高純度液体酸素を第２の熱交換器３２へ送り込むように加圧ラインＬ５１に配置されている自動開閉弁（不図示）を制御する弁制御部（不図示）とが設けられていてもよい。
【００３１】
加圧装置３０の加圧容器３１から高純度液体酸素がラインＬ６を通じて貯蔵部４１へ送られ貯蔵される。高純度液体酸素は、貯蔵部４１から製品ガス取出ラインＬ７を通じて第１の熱交換部１３へ送られ気化されて高圧高純度酸素ガスとなり、製品ガスとして供給される。製品ガス取出ラインＬ７には、第１の熱交換部１３の下流側に、製品ガスの流量を計測する製品ガス流量計測部５１と、製品ガス流量計測部５１で計測された流量に基づいて製品ガスの取出量を制御する第２の制御弁５２とが設けられている。
【００３２】
また、製品ガス取出ラインＬ７の第１の熱交換部１３より上流側において分岐し、その終端が製品ガス取出ラインＬ７へ接続される分岐ラインＬ７１が設けられている。分岐ラインＬ７１には、自動開閉弁５３が設けられている。取出制御部５０は、分岐ラインＬ７１および／または製品ガス取出ラインＬ７へ高純度液体酸素の送り込むために自動開閉弁５３を制御する。分岐ラインＬ７１に第３の熱交換部５５が設けられている。取出制御部５０は、製品ガス流量計測部５１で計測された流量に基づいて（例えば、必要量の製品ガスを取り出すために）、高純度液体酸素を分岐ラインＬ７１へ送り込むように自動開閉弁５３の開閉、開度などを制御してもよい。また、第１の熱交換部１３を停止状態とし（空気分離装置の機能が停止している時など）、第２の制御弁５２を閉じた状態として、高純度液体酸素を分岐ラインＬ７１へ送り込むように自動開閉弁５３の開閉、開度などを制御する。分岐ラインＬ７１へ送り込まれた高純度液体酸素が第３の熱交換器５５で気化され高圧高純度酸素ガスとなり、製品ガスとして供給される。
本実施形態において、貯蔵部４１はコールドボックスの外に配置され、コールドボックスには、第１の熱交換部１３、高圧精留塔２１、低圧精留塔２２、膨張タービン１５１、リサイクル原料ガス圧縮機１５３、および加圧装置３０が配置されている。
また、本実施形態において、ラインＬ３、Ｌ３１、Ｌ４は液体空気ラインであり、ラインＬ２は粗酸素ラインであり、ラインＬ５、Ｌ５１、Ｌ５２、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ７１は高純度液体酸素ラインである。
【００３３】
（製品ガス取出量の変動に応じたプロセス制御方法）
原料ガス供給ラインＬ１の第１の熱交換部１３の上流側に原料ガス流量計測部１１と、その上流側に原料ガス流量計測部１１で計測された流量に基づいて原料空気の供給量を制御する第１の制御弁１２とが設けられている。また、高圧精留塔２１の第２凝縮器２１４から取り出された廃ガスを膨張するオイルブレーキ１５２を備えた膨張タービン１５１が設けられている。高圧精留塔２１の塔頂から取り出されたリサイクル空気を圧縮するリサイクル空気圧縮機１５３が設けられている。
【００３４】
高圧精留塔２１の第２凝縮器２１４から取り出された廃ガスは、第１の熱交換器１３を通って膨張タービン１５１に送られ、ここで廃ガスが膨張してタービンを駆動させ、その後、第１の熱交換器１３を通過して大気中に排出される。膨張タービン１５１の駆動により、オイルブレーキ１５２を介してリサイクル空気圧縮機１５３が駆動する。つまり、圧縮に必要な動力は、オイルブレーキ１５２を介して接続された膨張タービン１５１から供給される。リサイクル空気は、高圧精留塔２１の第１凝縮器２１３からリサイクル空気圧縮機１５３に送られて圧縮される。次いで、リサイクル空気は、第１の熱交換器１３に送られ、次いで、高圧精留塔２１の下部に戻る。なお、第１凝縮器２１３から液体空気が不図示のラインを通じて第２凝縮器２１４へ送られる。
【００３５】
制御部６０は、製品ガス取出量の変動に応じて、オイルブレーキ１５２を備えた膨張タービン１５１を制御し、リサイクル空気の処理量を制御する。例えば、制御部６０は、製品ガス流量計測部５１で計測された製品ガスの流量から、第１の熱交換部１３で回収される寒冷のエネルギー（寒冷量）を算出し、算出された寒冷のエネルギー（寒冷量）に基づいて、寒冷源を制御する。本実施形態において、寒冷源は、オイルブレーキ１５２である。
【００３６】
本実施形態においては、第１の熱交換器１３において高純度液体酸素の蒸発（製品ガスの取り出し）によって回収される寒冷の分だけ寒冷源に係る負荷が減少することによって（オイルブレーキ１５２によって製造される寒冷が減少することによって）、膨張タービン１５１に導入される廃ガス（高圧空気）の量が減少する。また、同様にオイルブレーキ１５２から排出される寒冷が減少して、膨張タービン１５１に接続されたリサイクル空気圧縮機１５３によって回収されうる圧縮動力が増えるため、リサイクル空気の処理量を増加させることができ、リサイクル空気圧縮機１５３によって消費されるエネルギーを削減できる。
【００３７】
また、高純度酸素の消費量変動に伴い、高純度液体酸素による装置（第１の熱交換部１３、高圧精留塔２１など）の寒冷供給量は変動する。その変動量は、例えば空気分離装置内（精留塔など））に貯留される液体空気量の変動によって評価することができる。すなわち高純度液体酸素の蒸発量を増量する際には液化空気量は増加し、反対に該蒸発量が減量する際には液化空気量は減少するが、該液化空気量が超過または不足しないように、装置内（高圧精留塔）に原料液体空気バッファ２１１を設ける。本実施形態では、原料液体空気バッファ２１１が、原料空気およびリサイクル空気が導入される位置よりも下部の高圧精留塔２１の下部に設けられる。
【００３８】
制御部６０は、算出された寒冷量に応じて、オイルブレーキ１５１の負荷を制御する。
第１の熱交換部１３と圧縮機１５と高圧精留塔２１は、リサイクルガスライン（Ｒ１，Ｒ２）が形成され、リサイクル空気が流れている。リサイクルガスラインＲ２には、第１の熱交換部１３より上流側にリサイクル空気の流量を計測する流量計１５５が設けられている。流量計１５５の計測値は、制御部６０へ送られる。制御部６０は、流量計１５５の計測値に応じて、原料空気の供給量を制御する。
また、高圧精留塔２１から廃ガスが排出ラインＲ３を通じて第１の熱交換部１３を経由し膨張タービン１５１へ導入され、排出ラインＲ４を通じて第１の熱交換部１３を経由して大気へ排出される。
【００３９】
高純度酸素の製造量変動（取出量変動）に応じたプロセス制御の一例を説明する。なお、高純度酸素に限定されず高純度窒素でも同様のプロセス制御を採用できる。
高純度酸素の製造量変動は、製品ガス取出ラインＬ７に設置された製品ガス流量計測部５１および第２の制御弁５２によって制御される。
制御部６０は、製品ガス流量計測部５１で計測された製品ガスの流量から回収される寒冷のエネルギー（寒冷量）を算出し、ガス製造システム（空気分離機能部）の熱バランスを維持するためにさらに必要な寒冷のエネルギーをプロセスバランスにより決定し、決定された寒冷のエネルギーを得るように寒冷源を制御する。また、制御部６０は、原料空気の供給量も制御する。
【００４０】
例えば、以下の通り実行される。
第１の熱交換部１３における液体酸素蒸発によって与えられる寒冷が決定され、寒冷を供給する膨張タービン１５１に配置されたオイルブレーキ１５２で発生すべき寒冷量が決定され、例えばオイル流量等のオイルブレーキ１５２の負荷を調整する変数が決定される。
空気分離プロセスにおいては、リサイクル空気圧縮機１５３は、膨張タービン１５１によって駆動されるが、リサイクル空気圧縮機１５３の処理量はオイルブレーキ１５２の負荷に依存する。すなわち、寒冷が多く必要とされる場合にオイルブレーキ１５２の負荷が高い場合はリサイクル空気の処理量は減少し、逆にオイルブレーキの負荷が低い場合にはリサイクル空気の処理量は増加する。
また、高純度酸素の製造量を維持するために、原料空気とリサイクル空気の和は一定である必要があり、リサイクル空気が増加した場合は原料空気を削減することができる。
従って、上記決定されたオイルブレーキ１５１の負荷に応じてリサイクル空気流量（流量計１５５で計測される）が一意的に決まり、第１の熱交換部１３、高圧精留塔２１、膨張タービン１５１およびリサイクル空気圧縮機１５３（空気分離機能部）に供給されるべき総空気量とリサイクル空気量の差が原料空気量として算出される。そして、制御部６０からの指令に基づいて、原料空気量が原料空気流量計１１および第１の制御弁１２で制御される。
【００４１】
制御部６０、取出制御部５０は、プロセッサーおよびメモリを備えるコンピュータとメモリに保存されたソフトウエアプログラムとの協働作用で実現されてもよく、専用回路、ファームウエアなどで実現されていてもよい。また、制御部６０は入出力インターフェース、出力部を備えていてもよい。また、
【００４２】
（実施形態２）
実施形態２の構成を図２に示す。ガス製造システム２００は、高純度液体酸素を製造する空気分離装置の各要素を備える。実施形態１および図１と同じ符号の要素は、同じ機能を有するため、説明を省略することがある。
【００４３】
実施形態１では、高圧精留塔２１（最上流側の精留塔）の塔上部に第１凝縮器２１３、第２凝縮器２１４を備えていたが、実施形態２は、高圧精留塔２１に単一の凝縮器２１３のみを備える。凝縮器２１３のある位置から取り出され廃ガスは、廃ガスラインＲ１を通り、そこから分岐した分岐ラインＲ１１を通じてリサイクル原料ガス圧縮機１５３に送られ圧縮される。さらに、廃ガスは、廃ガスラインＲ１から分岐した分岐ラインＲ１３を通って第１の熱交換器１３に送られ熱交換された後で、オイルブレーキ１５２を備えた膨張タービン１５１に送られ、そこで廃ガスを膨張する。膨張タービン１５１とオイルブレーキ１５２の機能、制御部６０の機能も実施形態１と同様である。
【００４４】
（実施形態３）
実施形態３の構成を図３に示す。ガス製造システム３００は、高純度液体酸素を製造する空気分離装置の各要素を備える。実施形態１または２および図１または２と同じ符号の要素は、同じ機能を有するため、説明を省略することがある。実施形態１、２では、オイルブレーキ１５２を有する膨張タービン１５１、リサイクル原料ガス圧縮機１５３を備えていたが、実施形態３では備えておらず、替わりに液体窒素ＬＮ２を外部タンクに貯蔵している構成である。
【００４５】
高圧精留塔２１（最上流側の精留塔）の塔上部に、液体窒素を導入する導入ラインＬ９を備える。高圧精留塔２１の原料液体空気バッファ２１１にある酸素富化液化ガスが減少すると、高圧精留塔２１の塔頂部に配置された凝縮器２１３に送られる酸素富化液化ガスも減少する。そのため、外部タンクに貯蔵された液体窒素を高圧精留塔２１に導入する。
また、高圧精留塔２１および低圧精留塔２２塔頂から取り出した廃ガスは、廃ガスラインＲ１、Ｒ３４を通り、第１の熱交換器１３へ送られる。
なお、高圧精留塔２１の塔上部に第１凝縮器２１３のみならず、第２凝縮器２１４をさらに備えていてもよい。
【００４６】
（実施形態４）
実施形態４の構成を図４に示す。ガス製造システム４００は、高純度液体酸素を製造する空気分離装置の各要素を備える。実施形態１〜３および図１〜３と同じ符号の要素は、同じ機能を有するため、説明を省略することがある。実施形態１、２では、オイルブレーキ１５２を有する膨張タービン１５１、リサイクル原料ガス圧縮機１５３を備えていたが、実施形態４では、膨張タービン４０１を備える構成である。
低圧精留塔２２から取り出された廃ガスは、廃ガスラインＲ３４を通り、第１の熱交換器１３を通過して熱交換が送られて大気中に排出される。また、高圧精留塔２１の第１凝縮器２１３から取り出された廃ガスは、第１の熱交換器１３を通って膨張タービン４０１に送られ、ここで廃ガスが膨張してタービンを駆動させ、その後、第１の熱交換器１３を通過して大気中に排出される。
なお、高圧精留塔２１の塔上部に第１凝縮器２１３のみならず、第２凝縮器２１４をさらに備えていてもよい。
【００４７】
本実施形態において、制御部は、製品ガス流量計測部で計測された製品ガスの流量から、第１の熱交換器１３で回収される寒冷量を算出し、算出された寒冷量に基づいて膨張タービン４０１を制御する。製品ガス（高純度酸素）の流量から回収され得る寒冷量を算出し、ガス製造システム（空気分離機能部）の熱バランスを維持するためにさらに必要な寒冷量をプロセスバランスにより決定する。決定された寒冷量を得るように寒冷源を制御する。寒冷源は、膨張タービン４０１である。
【００４８】
（別実施形態）
上記実施形態１〜４において、ガス製造システムは、高純度液体酸素を製造するものであったが、これに限定されず、高純度液体窒素、高純度液体アルゴンなどを製造してもよい。
【００４９】
上記実施形態１〜４において、分岐ラインＬ７１、第３の熱交換器５５を設けていたが、これに制限されず、無くてもよい。
【００５０】
上記実施形態１〜４において、製品ガス測定部として、製品ガス流量計測部５１（流量測定部に相当する）を使用していたが、これに制限されず、製品ガス流量計測部５１に代えて、製品ガスの圧力を測定する圧力測定部および／または製品ガスの所定ガスの濃度を測定する濃度測定部を使用してもよく、製品ガス流量計測部５１に加えて、製品ガスの圧力を測定する圧力測定部および／または製品ガスの所定ガスの濃度を測定する濃度測定部を使用してもよい。この場合に、第２の制御弁は、上記製品ガス測定部で測定された結果に基づいて製品ガスの取出量を制御することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１      ガス製造システム
１１    原料ガス流量計測部
１２    第１の制御弁
１３    第１の熱交換部
１５１  膨張タービン
１５２  オイルブレーキ
１５３  リサイクル空気圧縮機
２０    精留部
２１    高圧精留塔
２２    低圧精留塔
３０    加圧装置
３１    加圧容器
３２    第２の熱交換部
４１    貯留部
５１    製品ガス流量計測部
５２    第２の制御弁
５０    取出制御部
６０    制御部
Ｌ１    原料ガス供給ライン
Ｌ７    製品ガス取出ライン
【図１】
2018204825.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2018204825.tif 000006