(57)【要約】【課題】粗アルゴン中の一酸化炭素濃度を低く抑え、高純度の製品アルゴンを製造可能なアルゴン抽出方法を提供すること。【解決手段】深冷分離型空気分離装置の精留塔により空気から粗アルゴンを分離するにあたり、原料空気中の一酸化炭素濃度ＣＣＯを測定し、この一酸化炭素濃度に応じて、精留塔の外へ粗アルゴンを抽出する位置を粗アルゴン抽出口２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃのうちから選択する。【選択図】  図３
2004150684.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気分離装置の精留塔を用いて、原料空気からアルゴンを精留して抽出するにあたって、前記精留塔へ供給する原料空気中の一酸化炭素濃度を測定し、この測定された一酸化炭素濃度に応じて、アルゴンを前記精留塔の外へ抽出するアルゴン抽出口の高さを変更することを特徴とするアルゴン抽出方法。
【請求項２】
空気分離装置の精留塔を用いて、原料空気からアルゴンを精留して抽出するにあたって、前記精留塔へ供給する原料空気中の一酸化炭素濃度を測定し、この測定された一酸化炭素濃度に応じて、前記精留塔への原料空気供給量と、前記精留塔の外への酸素抽出量とを変更することを特徴とするアルゴン抽出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気分離装置の精留塔において原料空気からアルゴンを精留して抽出するアルゴン抽出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、原料空気から酸素、窒素及びアルゴンを精留して抽出するために、深冷分離型空気分離装置を使用している（例えば、特許文献１を参照）。この深冷分離型空気分離装置においては、酸素、窒素及びアルゴンの沸点の違いを利用して各成分を精留している。
【０００３】
図７に、従来ある深冷分離型空気分離装置の一例を示す。深冷分離型空気分離装置１はコンプレッサー１０、水洗塔１２、モレキュラシーブス吸着塔１３、熱交換器１４、精留塔２０、粗アルゴン塔３４、パラジウム触媒槽３５、乾燥器３６及び高純度アルゴン塔３８を備えている。
精留塔２０には下部塔２２及び上部塔２４が重ねて形成してある。図８に示すように、下部塔２２内には複数段の精留板２８が設けられており、各精留板２８には多数の小穴である気孔３０が形成されており、ガスが各精留板２８の気孔３０を通って下部塔２２内を上昇可能な構成となっている。また、各精留板２８の縁には一段下にある別の精留板２８へ連なる通路が連結管３２により形成されており、精留板２８上に溜まった液体は連結管３２を流れて下方へ移動することが可能な構成となっている。上部塔２４内にも下部塔２２内と同様の構成を有する精留板２８が複数段設けられている。
【０００４】
まず、原料空気が外部よりコンプレッサー１０に取り入れられて所定圧力まで圧縮され、この圧縮された原料空気を水洗塔１２で冷却、洗浄し、モレキュラシーブス吸着塔１３にて原料空気中の水分や炭酸ガスを吸着除却する。そして、不純物を取り除いた原料空気を熱交換器１４で冷却して液体空気とする。この液体空気中には酸素、窒素及びアルゴンの他、微量の一酸化炭素も含まれている。
【０００５】
次いで、液体空気は下部塔２２へ送られ、下部塔２２内で予備分離される。下部塔２２内では、複数段の精留板２８に液体空気から生成した液化ガスが溜まっており、各精留板２８間をつなぐ連結管３２を通じて上方から下方へ向けて流下している。各精留板２８上の液化ガスは外部の熱を受けて蒸発しており、この蒸発したガスは精留板２８の気孔３０を通って上段の精留板２８上に溜まっている液化ガスと接触しながら、下部塔２２内を上方へ向けて上昇する。
【０００６】
液化ガス中の酸素と窒素の挙動を考えると、一定圧力下において窒素は酸素よりも沸点が低いため、液化ガスからガスが蒸発していったときに液化ガス中に酸素が濃縮される。液化ガスは各段の精留板２８を流下していくので、下段の精留板２８上の液化ガスから蒸発するガス中の窒素の濃度は、その上段にある精留板２８上に溜まっている液化ガス組成と平衡する蒸発ガス中の窒素の濃度よりも小さい。下段の精留板２８から上昇してきた蒸発ガスが上段の精留板２８上に溜まっている液化ガスと接触したときに、蒸発ガス中の酸素が液化ガス中へ移行し、液化ガス中の窒素が上昇してきた蒸発ガス中へ移行し、液化ガスと蒸発ガスとの間で物質移動が生じる。この結果、下部塔２２内の下方に存在する液化ガス中では酸素が濃縮され、下部塔２２内の上方に存在する液化ガス中では窒素が濃縮され、液体空気の予備分離がなされる。
【０００７】
そして、図７に示すように、下部塔２２内で予備分離した液化ガスを上部塔２４へ送る。上部塔２４では下部塔２２内と同様の精留操作を行い、上部塔２４内の下部に高純度の液化酸素を生成させ、上部塔２４内の上部に高純度の液化窒素を生成させる。
この上部塔２４内の精留操作では、液体空気を構成している窒素と酸素の沸点の違いを利用して、窒素と酸素をそれぞれ精留分離している。なお、窒素の沸点は１気圧で−１９６℃、酸素の沸点は１気圧で−１８３℃である。また、液体空気中に含まれるアルゴンの沸点は１気圧で−１８６℃であり、同一圧力条件下でアルゴンの沸点は窒素と酸素の各沸点の間にある。したがって、精留操作する過程において、上部塔２４の中段に位置する精留板２８上に溜まった液化ガス中のアルゴンの濃度が高くなる。
【０００８】
すなわち、上部塔２４内における酸素、窒素及びアルゴンの濃度分布を模式的に図示すると、図９に示されるような分布状態となっている。図９において、縦軸は上部塔２４内の高さを表し、横軸は上部塔２４内におけるガス中の各成分の濃度を表す。なお、図９の横軸の目盛間隔は同一間隔ではなく、縦軸の目盛間隔も同一間隔ではない。
【０００９】
そして、上部塔２４内でガスの各成分は図９のように上下方向に分布しているので、上部塔２４の頂部から高純度の窒素を製品窒素として抽出し、上部塔２４の底部から高純度の酸素を製品酸素として抽出することができる。また、上部塔２４の中間の高さに設置された粗アルゴン抽出口２６からアルゴンを含有するガスを粗アルゴンとして抽出することができる。この粗アルゴン抽出口２６は、図９の濃度分布において、アルゴンの濃度が大きくなる高さに設けられている。
【００１０】
また、上部塔２４へ供給される液化ガス中には一酸化炭素のような微量の不純物が存在している。一酸化炭素の沸点は１気圧において−１９１℃であり、窒素やアルゴンと沸点が近いので、一酸化炭素は抽出される粗アルゴン又は製品窒素の中に混入しようとする。製品窒素の純度を高くする場合には、図９に示すように、上部塔２４の中間高さから一定量以上の窒素を廃窒素として抽出する。窒素中に混入する一酸化炭素を廃窒素の中に含有させることで、上部塔２４の上部から抽出される製品窒素中に一酸化炭素が混入することを抑制している。
【００１１】
そして、粗アルゴン抽出口２６から抽出した粗アルゴンを粗アルゴン塔３４へ送り、粗アルゴン塔３４において再び精留する。粗アルゴン塔３４の上部より抽出したアルゴンには３体積％程度の酸素が残存しているので、水素を反応させてこのアルゴン中の酸素を水に転換し、乾燥器を用いてこの水を除去する。水を除去されたアルゴンは高純度アルゴン塔３８に送られ、さらに精留されて高純度の製品アルゴンとなる。
【００１２】
かかる工程から製品アルゴンを製造する際、製品アルゴン中に所定量以上の不純物が混入することを防止しなくてはならない。しかしながら、一酸化炭素の沸点はアルゴンの沸点に近く、また、アルゴンの沸点よりも高いので、粗アルゴン中に混入する一酸化炭素を除去することは困難である。そして、粗アルゴン中に混入した一酸化炭素の一部はパラジウム吸着塔３５において水素と反応してメタンに転換され、製品アルゴン中にメタンが不純物として混入してしまう。
【００１３】
このため、精留塔２０の上流で原料空気に前処理を施し、空気中の一酸化炭素を二酸化炭素へ転換して除去する方法がある（たとえば、特許文献２を参照）。具体的には、水洗塔１２の下流で、原料空気中の一酸化炭素を触媒を用いて二酸化炭素へ転換し、モリキュラシーブス吸着器により転換された二酸化炭素を吸着除去する。
【００１４】
【特許文献１】
特開平５―１８８３号公報（第２〜３頁）
【特許文献２】
特開平４―２１９１１号公報（第２〜８頁、第１〜３図）
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、原料空気を前処理することで一酸化炭素を二酸化炭素へ転換して除去し、粗アルゴン中へ一酸化炭素が混入することを抑制し、製品アルゴン中の純度を上げる方法では、原料空気をすべて前処理する必要がある。このため、大量の原料空気中の一酸化炭素を酸化する触媒槽などの前処理のための設備が大きくなり、必要な設備費用も高額なものとなってしまう。
【００１６】
また、通常の状態において、地表近傍の空気中に存在する一酸化炭素濃度は１ｐｐｍ以下である。かかる通常の状態にある空気を原料として深冷分離型空気分離装置によって一酸化炭素を含有する粗アルゴンを製造し、さらに、この粗アルゴン中の一酸化炭素をメタンに転換し、メタンを含有する製品アルゴンを製造しても、製品アルゴン中に存在するメタンの濃度は工業上無視し得る濃度にしかならず特に問題とはならない。
【００１７】
したがって、通常は、深冷分離型空気分離装置において、原料空気中に前処理を施して一酸化炭素を二酸化炭素へ転換して除去するような設備は設置しておらず、製品アルゴン中に微量のメタンが混入することを許容している。
しかし、深冷分離型空気分離装置の設置場所の近傍に幹線道路や燃焼設備等の一酸化炭素濃度発生源が存在する場合には、原料空気中の一酸化炭素濃度が数ｐｐｍまで上昇し、製品アルゴン中に残存するメタンの濃度が工業上無視しうる濃度を超えてしまうという問題を生じる。
【００１８】
本発明は、上記した従来の技術の問題点を除くためになされたものであり、その目的とするところは、原料空気空気中の一酸化炭素濃度が高くなっても、この原料空気に特別な前処理を施して一酸化炭素を除去する必要がなく、粗アルゴン中の一酸化炭素濃度を低く抑えることができ、工業上の要求に合致した高純度の製品アルゴンを供給可能なアルゴン抽出方法を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、その課題を解決するために以下のような構成をとる。請求項１の発明は、空気分離装置の精留塔を用いて、原料空気からアルゴンを精留して抽出するにあたって、前記精留塔へ供給する原料空気中の一酸化炭素濃度を測定し、この測定された一酸化炭素濃度に応じて、アルゴンを前記精留塔の外へ抽出するアルゴン抽出口の高さを変更するアルゴン抽出方法である。
【００２０】
請求項１の発明によると、空気分離装置の精留塔内において、原料空気中の一酸化炭素が示す精留塔の高さ方向における濃度分布は、原料空気中の一酸化炭素濃度を測定することによって把握される。そして、精留塔内の一酸化炭素の分布状態に対応させて、粗アルゴンを精留塔の外へ抽出する抽出口の高さを定めれば、この精留塔から抽出される粗アルゴン中の一酸化炭素濃度は低く抑制されることとなる。
【００２１】
なお、空気分離装置の一例として深冷分離型空気分離装置を挙げることができる。また、一酸化炭素濃度を測定する手段として赤外線ガス分析計やガスクロマトグラフィーを挙げることができる。
請求項２の発明は、空気分離装置の精留塔を用いて、原料空気からアルゴンを精留して抽出するにあたって、前記精留塔へ供給する原料空気中の一酸化炭素濃度を測定し、この測定された一酸化炭素濃度に応じて、前記精留塔への原料空気供給量と、前記精留塔の外への酸素抽出量とを変更するアルゴン抽出方法である。
【００２２】
請求項２の発明によると、空気分離装置の精留塔内において、原料空気中の一酸化炭素が示す精留塔の高さ方向における濃度分布は、精留塔への原料空気供給量と、精留塔の外への酸素抽出量に応じて変化する。
たとえば、精留塔の外への酸素抽出量を一定に維持しつつ、精留塔への原料空気供給量を増加させると、精留塔内で酸素が分布する領域は拡大し、アルゴンや一酸化炭素の濃度分布の曲線は精留塔内を上方へ移動する。また、精留塔への原料空気供給量を一定に維持し、精留塔の外への酸素抽出量を増加させると、精留塔内で酸素が分布する領域は縮小し、アルゴンや一酸化炭素の濃度分布の曲線は精留塔内を下方へ移動する。
【００２３】
したがって、原料空気中の一酸化炭素濃度に応じて、精留塔への原料空気供給量と、精留塔の外の酸素抽出量を調整することによって、粗アルゴンを精留塔の外へ抽出する抽出口の高さ近傍に存在する一酸化炭素の濃度を低く抑えることが可能となり、精留塔から抽出される粗アルゴン中の一酸化炭素濃度も低く抑制されることとなる。
【００２４】
なお、空気分離装置の一例として深冷分離型空気分離装置を挙げることができる。また、一酸化炭素濃度を測定する手段として赤外線ガス分析計やガスクロマトグラフィーを挙げることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態を図面に基づいて説明する。
まず、図１及び図２を参照して本実施の形態の構成の一例を説明する。
図１に示すように、深冷分離型空気分離装置１は、一酸化炭素濃度測定装置４０、制御装置４２、コンプレッサー１０、水洗塔１２、モレキュラシーブス吸着塔１３、熱交換器１４、精留塔２０、粗アルゴン塔３４、パラジウム触媒槽３５、乾燥器３６及び高純度アルゴン塔３８を備えている。コンプレッサー１０、水洗塔１２、モレキュラシーブス吸着塔１３、熱交換器１４、粗アルゴン塔３４、パラジウム触媒槽３５、乾燥器３６及び高純度アルゴン塔３８は、従来あるものと同様の構成を有しており、その詳細な説明は省略する。
【００２６】
一酸化炭素濃度測定装置４０は、従来ある空気中の成分を測定するガス成分測定装置と同様の構成を有しており、深冷分離型空気分離装置１に取り入れられる原料空気中の一酸化炭素濃度ＣＣＯを例えば赤外線ガス分析計やガスクロマトグラフィー等の手段を用いて測定可能な構成を備えている。一酸化炭素濃度測定装置４０のサンプリング位置は、コンプレッサー１０の上流側に設けられている。
【００２７】
そして、制御装置４２が一酸化炭素濃度測定装置４０に連なって形成されており、一酸化炭素濃度測定装置４０が測定した一酸化炭素濃度ＣＣＯを受信可能に構成されている。また、制御装置４２は後述するコントロールバルブ４８Ａにつながっており、制御装置４２からコントロールバルブ４８Ａへ後述の信号ＳＶＡを送信可能な構成となっている。
【００２８】
また、図２に示すように、制御装置４２は、メモリ４４及び演算部４６を有する。メモリ４４中には、原料空気中の一酸化炭素濃度ＣＣＯと、後述する精留塔２０の上部塔２４内におけるアルゴン及び一酸化炭素の濃度分布との間に成立する関係のデータテーブルＴ１が格納されている。
さらに、演算部４６は、一酸化炭素濃度測定装置４０から受信した一酸化炭素濃度ＣＣＯとメモリ４４のデータテーブルＴ１とを参照して上部塔２４内におけるアルゴン及び一酸化炭素の濃度分布の状態を判断し、後述する粗アルゴン抽出口２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃのいずれを開けば抽出される粗アルゴン中の一酸化炭素濃度が許容量以下となるかを判断し、各粗アルゴン抽出口２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃの開閉状態を決定し、この決定に応じて各粗アルゴン抽出口２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃを開閉させる信号ＳＶＡを後述のコントロールバルブ４８Ａへ送信可能な構成を有する。
【００２９】
また、精留塔２０は粗アルゴン抽出口２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ及びコントロールバルブ４８Ａを備える点を除いて、従来のものと同様の構成を有し、下部塔２２の上に上部塔２４が重ねて形成されており、下部塔２２及び上部塔２４内にはそれぞれ従来のものと同様の構成を有する図示しない複数段の精留板が設けられている。
【００３０】
また、図１に示すように、上部塔２４の中間には、それぞれ高さが異なる複数の粗アルゴン抽出口２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃが形成されており、各粗アルゴン抽出口２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃはコントロールバルブ４８Ａを介して粗アルゴン塔３４に連なっている。そして、コントロールバルブ４８Ａは、制御装置４２からの信号ＳＶＡに従って各粗アルゴン抽出口２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃをそれぞれ開閉可能な構成を有している。
【００３１】
本実施の形態は上記のように構成されており、次にその作用について説明する。
まず、外部から取り入れられた原料空気はコンプレッサー１０により圧縮され、水洗塔１２で冷却、洗浄され、含有する水分や炭酸ガスがモレキュラシーブス吸着塔１３にて取り除かれ、その後、熱交換器１４でさらに冷却されて液体空気となる。この液体空気中には酸素、窒素、アルゴン、一酸化炭素が含まれている。
【００３２】
また、一酸化炭素濃度測定装置４０がコンプレッサー１０により圧縮される前の原料空気からサンプリングを行い、原料空気中に含まれる一酸化炭素濃度ＣＣＯを測定し、この測定された一酸化炭素濃度ＣＣＯを制御装置４２の演算部４６へ送信する。
そして、熱交換器１４から液体空気は下部塔２２へ送られて予備分離されて液化ガスとなり、上部塔２４へ送られる。上部塔２４内へ入った液化ガスは上部塔２４内を下方へ下降し、上部塔２４内を下方から上昇してくる蒸発したガスと前記各精留板の上で接触する。その結果、上部塔２４の上部には高純度の窒素がたまり、上部塔２４の下部には高純度の酸素がたまる。また、沸点が酸素と窒素の各沸点の間にあるアルゴンは上部塔２４の中間に濃縮してたまる。
【００３３】
このとき、液化ガス中の一酸化炭素もやはり上部塔２４の中間で濃縮してたまっている。しかし、図３に示すように、上部塔２４内におけるアルゴンの濃度分布と一酸化炭素の濃度分布は一致してはいない。一酸化炭素の濃度分布のピークがある上部塔２４での高さは、アルゴンの濃度分布のピークがある高さよりもやや上方の低温側の高さにある。したがって、粗アルゴンを上部塔２４から抽出する高さを調整することで、上部塔２４から抽出される粗アルゴン中に混入する一酸化炭素の量を減少させることが可能となる。なお、図３の横軸は上部塔２４内に存在するガスの各成分の濃度を表し、縦軸は上部塔２４内の高さを表している。ただし、図３の横軸の目盛間隔は同一間隔ではなく、縦軸の目盛間隔も同一間隔ではない。
【００３４】
したがって、制御装置４２において、演算部４６が原料空中の一酸化炭素濃度ＣＣＯをメモリ４４中のデータテーブルＴ１と比較し、上部塔２４内におけるアルゴンの濃度分布と一酸化炭素の濃度分布の状態を判断する。そして、上部塔２４から抽出される粗アルゴン中に混入する一酸化炭素の量を許容量以内に抑制でき、且つこの粗アルゴンの抽出量を最大とする粗アルゴンの抽出位置の高さを判断し、この高さに近い位置にあるいずれかの粗アルゴン抽出口２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃを選択して開くこととして各粗アルゴン抽出口２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃの開閉状態を決定し、粗アルゴン抽出口２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃをそれぞれ開閉する信号ＳＶＡをコントロールバルブ４８Ａへ送信する。
【００３５】
コントロールバルブ４８Ａは信号ＳＶＡを演算部４６から受信し、この信号ＳＶＡにしたがって各粗アルゴン抽出口２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃの開閉を行う。そして、粗アルゴン抽出口２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃのうちいずれか一つがコントロールバルブ４８Ａによって開いて他は閉じ、粗アルゴンが上部塔２４から抽出され、粗アルゴン塔３４へ送られる。
【００３６】
また、上部塔２４の上部からは高純度の製品窒素が抽出され、上部塔２４の下部からは高純度の製品酸素が抽出される。さらに、製品窒素とは別に、上部塔２４から一定量以上の窒素が廃窒素として抽出される。この廃窒素とともに窒素中に混入した一酸化炭素が抽出され、製品窒素中に含まれる一酸化炭素濃度を所定濃度以下に抑制している。また、上部塔２４から抽出された製品窒素、製品酸素及び廃窒素の冷熱は熱交換器１４における寒冷源として利用されている。
【００３７】
そして、粗アルゴン塔３４へ送られた粗アルゴンは、粗アルゴン塔３４で再び精留され、粗アルゴン中の酸素の大半を取り除かれる。さらに、粗アルゴン塔３４を出たアルゴンに水素を反応させ、アルゴン中に残存する酸素を水に転換し、乾燥器３６でこの水分をアルゴンから除去する。乾燥器３６で水分を除去されたアルゴンは高純度アルゴン塔３８に送られて精留され、高純度の製品アルゴンとなる。
【００３８】
したがって、本実施の形態に係るアルゴン抽出方法により、原料空気中の一酸化炭素濃度ＣＣＯが高くなっていても、上部塔２４から抽出される粗アルゴン中の一酸化炭素濃度を低く抑制することが可能となり、この粗アルゴンを精留して高純度の製品アルゴンを得ることが可能となる。
なお、本実施の形態において、一酸化炭素濃度測定装置４０のサンプリング位置をコンプレッサー１０の上流側に設けることとしたが、水洗塔１２の下流側に設けることも可能である。
【００３９】
また、本実施の形態において、粗アルゴン抽出口を２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃの３つを設けることとしたが、２つ又は４つ以上の数とすることが可能であることは勿論である。
さらに、本実施の形態において、粗アルゴン抽出口を２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃの３つを設けることとしたが、上下方向に移動可能な構成を有する粗アルゴン抽出口を１つだけ設けることとし、この粗アルゴン抽出口の高さを上下方向に移動させて、上部塔２４から粗アルゴンを抽出する高さを原料空気中の一酸化炭素濃度ＣＣＯに応じて変更することも可能である。
【００４０】
また、本実施の形態において、制御装置４２が原料空気の一酸化炭素濃度ＣＣＯに応じて信号ＳＶＡをコントロールバルブ４８Ａへ送信するとしたが、運転員が一酸化炭素濃度ＣＣＯに応じて手動でコントロールバルブ４８Ａを操作し、粗アルゴン抽出口２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃの開閉を行うことが可能であることは勿論である。
【００４１】
次に、本実施の形態に係るアルゴン抽出方法を用いて粗アルゴンを抽出した試験結果１を示す。本試験で使用した深冷分離型空気分離装置の精留塔の上部塔には２つの粗アルゴン抽出口Ａ、Ｂを設け、粗アルゴン抽出口Ａの位置は粗アルゴン抽出口Ｂよりも３００ｍｍ上方とし、各粗アルゴン抽出口Ａ、Ｂを原料空気の一酸化炭素濃度ＣＣＯに応じて選択して開閉可能な構成とした。また、この深冷分離型空気分離装置は標準状態で１５４ｋｍ３／ｈの空気の処理能力を有する。
【００４２】
本試験において、上部塔への原料空気供給量ＱＡｉｒを標準状態で１５０ｋｍ３／ｈとし、酸素、窒素及び粗アルゴンを精留塔の上部塔より抽出した。原料空気中の一酸化炭素濃度ＣＣＯが１ｐｐｍであったときは、粗アルゴンを粗アルゴン抽出口Ａから抽出し、粗アルゴン中の一酸化炭素濃度は０．１ｐｐｍとなっていた。
【００４３】
原料空気中の一酸化炭素濃度ＣＣＯが５ｐｐｍまで上昇すると、粗アルゴン抽出口Ａから抽出される粗アルゴン中の一酸化炭素濃度は２．７ｐｐｍまで上昇した。そこで、粗アルゴンを抽出する位置を下方の粗アルゴン抽出口Ｂに切り換えると、粗アルゴン中の一酸化炭素濃度は０．２ｐｐｍまで低減した。
したがって、本実施の形態に係るアルゴン抽出方法を用いて粗アルゴンを抽出する高さを変更することによって、原料空気中の一酸化炭素濃度ＣＣＯが変動しても、粗アルゴン中の一酸化炭素濃度を低減できることが確認された。
【００４４】
次に、本発明の第２の実施の形態を図面に基づいて説明する。
まず、図４及び図５を参照して本実施の形態の構成の一例を説明する。なお、従来あるものと同様の構成については同じ符号を付し、重複する説明を省略する。
図４に示すように、深冷分離型空気分離装置１は、一酸化炭素濃度測定装置４０、制御装置４２、コンプレッサー１０、水洗塔１２、モレキュラシーブス吸着塔１３、熱交換器１４、精留塔２０、粗アルゴン塔３４、パラジウム触媒槽３５、乾燥器３６及び高純度アルゴン塔３８を備えている。コンプレッサー１０、水洗塔１２、モレキュラシーブス吸着塔１３、熱交換器１４、粗アルゴン塔３４、パラジウム触媒槽３５、乾燥器３６及び高純度アルゴン塔３８は、従来あるものと同様の構成を有している。
【００４５】
一酸化炭素濃度測定装置４０は、第１の実施の形態に係るものと同様の構成を有し、コンプレッサー１０の上流で原料空気のサンプリングを行い、原料空気中の一酸化炭素濃度ＣＣＯを測定し、測定した一酸化炭素濃度ＣＣＯを制御装置４２へ送信可能な構成を有する。
また、熱交換器１４から精留塔２０へ至る原料空気の供給ライン上にはコントロールバルブ４８Ｂが設けられており、このコントロールバルブ４８Ｂは制御装置４２から受信する後述の信号ＳＶＢによってその開度を変え、精留塔２０の上部塔２４への原料空気供給量ＱＡｉｒを調節可能に構成されている。
【００４６】
さらに、精留塔２０は、従来のものと同様の構成を有して下部塔２２と上部塔２４とからなり、上部塔２４は一箇所の粗アルゴン抽出口２６を有する。そして、上部塔２４の下部から出ている製品酸素の抽出ライン上にはコントロールバルブ４８Ｃが設けられており、このコントロールバルブ４８Ｃは制御装置４２から受信する後述の信号ＳＶＣによってその開度を変え、上部塔２４からの製品酸素抽出量ＱＯ２を調節可能に構成されている。
【００４７】
また、図５に示すように、制御装置４２はメモリ４４及び演算部４６とから構成されている。メモリ４４中には以下に説明するデータテーブルＴ２が格納されている。
ところで、上部塔２４への原料空気供給量ＱＡｉｒ及び上部塔２４からの製品酸素抽出量ＱＯ２を変動させると、上部塔２４内でのアルゴンの濃度分布及び一酸化炭素の濃度分布も変動する。そして、原料空気中で一酸化炭素濃度ＣＣＯが示す各値に対応させて、粗アルゴン抽出口２６から抽出される粗アルゴン中で許容される一酸化炭素濃度をそれぞれ定めることができる。さらに、この許容された一酸化炭素濃度を有する粗アルゴンを粗アルゴン抽出口２６から抽出するために、上部塔２４内における適切なアルゴンの濃度分布及び一酸化炭素の濃度分布の状態を定めることができる。そして、原料空気中の一酸化炭素濃度ＣＣＯに対応して、適切な上部塔２４内でのアルゴンの濃度分布及び一酸化炭素の濃度分布を定めれば、これらの濃度分布を可能とする上部塔２４への原料空気供給量ＱＡｉｒ及び上部塔２４からの製品酸素抽出量ＱＯ２も定めることができる。
【００４８】
したがって、原料空気中の一酸化炭素濃度ＣＣＯに対して、上部塔２４への原料空気供給量ＱＡｉｒ及び上部塔２４からの製品酸素抽出量ＱＯ２を予め定めておけば、粗アルゴン中の一酸化炭素濃度を所定量以下に制御することが可能となる。
データテーブルＴ２には、原料空気中の一酸化炭素濃度ＣＣＯ、上部塔２４への原料空気供給量ＱＡｉｒ及び上部塔２４からの製品酸素抽出量ＱＯ２の間の関係が、演算部４６によって読み出し可能に記録されている。
【００４９】
そして、演算部４６は一酸化炭素濃度測定装置４０から一酸化炭素濃度ＣＣＯを受信し、メモリ４４のデータテーブルＴ２を参照して上部塔２４への原料空気供給量ＱＡｉｒ及び上部塔２４からの製品酸素抽出量ＱＯ２を決定し、これらの原料空気供給量ＱＡｉｒ及び製品酸素抽出量ＱＯ２に対応したコントロールバルブ４８Ｂ、４８Ｃの開度を決定し、これらの決定した開度に対応する信号ＳＶＢ、ＳＶＣをコントロールバルブ４８Ｂ、４８Ｃへ送信可能に構成されている。
【００５０】
本実施の形態は上記のように構成されており、次にその作用について説明する。
第１の実施の形態と同様に、外部から取り入れた原料空気をコンプレッサー１０により圧縮し、水洗塔１２で冷却、洗浄して水分や炭酸ガスを取り除き、その後、熱交換器１４で冷却して液体空気とし、この液体空気を下部塔２２へ送り予備分離する。
【００５１】
また、一酸化炭素濃度測定装置４０はコンプレッサー１０の上流で原料空気のサンプリングを行い、原料空気中の一酸化炭素濃度ＣＣＯを測定し、この測定した一酸化炭素濃度ＣＣＯを制御装置４２の演算部４６へ送信する。
そして、制御装置４２の演算部４６は、一酸化炭素濃度測定装置４０から受信した一酸化炭素濃度ＣＣＯとメモリ４４に格納されたデータテーブルＴ２とから上部塔２４への原料空気供給量ＱＡｉｒ及び上部塔２４からの製品酸素抽出量ＱＯ２を決定し、これらの原料空気供給量ＱＡｉｒ及び製品酸素抽出量ＱＯ２に対応したコントロールバルブ４８Ｂ、４８Ｃの開度を決定し、これらの決定した開度に対応する信号ＳＶＢ、ＳＶＣをコントロールバルブ４８Ｂ、４８Ｃへ送信する。
【００５２】
コントロールバルブ４８Ｂは制御装置４２から信号ＳＶＢを受信し、信号ＳＶＢにしたがってその開度を調節し、上部塔２４への原料空気供給量ＱＡｉｒを調整する。
また、第１の実施の形態と同様に、下部塔２２で予備分離されて生成した液化ガスは上部塔２４へ送られる。上部塔２４へ送られた液化ガスは精留されて、図６（ｉｉ）に示すように、上部塔２４内の下部、上部及び中間にそれぞれ酸素、窒素及びアルゴンが濃縮してたまる。同時に、一酸化炭素も上部塔２４内に濃縮してたまっている。そして、第１の実施の形態と同様に、上部塔２４から製品酸素、製品窒素、廃窒素及び粗アルゴンが抽出される。なお、図６（ｉｉ）の横軸は上部塔２４内に存在するガスの各成分の濃度を表し、縦軸は上部塔２４内の高さを表している。ただし、図６（ｉｉ）の横軸の目盛間隔は同一間隔ではなく、縦軸の目盛間隔も同一間隔ではない。
【００５３】
さらに、コントロールバルブ４８Ｃは、制御装置４２からの信号ＳＶＢに応じてその開度を変え、上部塔２４からの製品酸素抽出量ＱＯ２を調節する。
したがって、上部塔２４への原料空気供給量ＱＡｉｒはコントロールバルブ４８Ｂの開度により調整されており、上部塔２４からの製品酸素抽出量ＱＯ２をコントロールバルブ４８Ｃの開度により調整されているので、上部塔２４内におけるアルゴンの濃度分布及び一酸化炭素の濃度分布は、原料空気の一酸化炭素濃度ＣＣＯに対応して予め定めた所定の状態となり、粗アルゴン抽出口２６から所定量以下の一酸化炭素濃度を有する粗アルゴンを抽出することが可能となっている。
【００５４】
たとえば、原料空気中の一酸化炭素濃度ＣＣＯが高くなると、上部塔２４内で粗アルゴン抽出口２６近傍に分布する一酸化炭素の濃度が高くなる（図６（ｉ）を参照）。かかる場合に、上部塔２４内で発生する酸素の割合を一定に維持しつつ、コントロールバルブ４８Ｂを開いて上部塔２４への原料空気供給量ＱＡｉｒを増加させると、上部塔２４内で酸素が分布する側の領域が拡大し、アルゴンや一酸化炭素が分布する領域は上部塔２４内を上方へ移動する。そして、図６（ｉｉ）に示すように、上部塔２４内で粗アルゴン抽出口２６近傍に分布する一酸化炭素の濃度を低くし、アルゴンの濃度を高くすることができる。このような一酸化炭素とアルゴンの分布状態を上部塔２４内で実現させると、粗アルゴンとともに一酸化炭素が一緒に粗アルゴン抽出口２６から抽出されることを抑制でき、上部塔２４から抽出される粗アルゴン中の一酸化炭素の濃度を所定量以下に抑制することができる。なお、図６（ｉ）の横軸は上部塔２４内に存在するガスの各成分の濃度を表し、縦軸は上部塔２４内の高さを表している。そして、図６（ｉ）と（ｉｉ）の横軸同士、縦軸同士の目盛は同一である。
【００５５】
また、原料空気中の一酸化炭素濃度ＣＣＯが高く、上部塔２４内で粗アルゴン抽出口２６近傍に分布する一酸化炭素の濃度が高くなっている場合に、コントロールバルブ４８Ｂの開度は変えずに上部塔２４への原料空気供給量ＱＡｉｒを一定に維持し、コントロールバルブ４８Ｃを絞って、上部塔２４の外への製品酸素抽出量ＱＯ２を減少させると、上部塔２４内で酸素が分布する高温側の領域が拡大し、アルゴンや一酸化炭素が分布する領域は上部塔２４内を上方へ移動する。そして、上部塔２４内で粗アルゴン抽出口２６近傍に分布する一酸化炭素の濃度を低くして、上部塔２４から抽出される粗アルゴン中の一酸化炭素の濃度を所定量以下に抑制することができる。
【００５６】
したがって、原料空気中の一酸化炭素濃度ＣＣＯに応じて、コントロールバルブ４８Ｂ、４８Ｃの開度を調節し、上部塔２４への原料空気供給量ＱＡｉｒ及び上部塔２４の外への製品酸素抽出量ＱＯ２を調整することによって、粗アルゴン抽出口２６から抽出される粗アルゴン中の一酸化炭素濃度を制御できる。
また、上部塔２４内で窒素中に混入している一酸化炭素は、廃窒素としての窒素とともに上部塔２４から抽出されており、製品窒素中に一酸化炭素が混入することを抑制している。
【００５７】
そして、上部塔２４から抽出された製品窒素、製品酸素及び廃窒素の冷熱は、熱交換器１４へ送られ、水洗塔１２で冷却、洗浄した原料空気を冷却する寒冷源として使用される。また、粗アルゴン抽出口２６から抽出された粗アルゴンは粗アルゴン塔３４へ送られて精留され、粗アルゴン中に混入している酸素の大部分を取り除かれる。さらに、粗アルゴン塔３４を出たアルゴンに水素を反応させ、アルゴン中に残存する酸素を水に転換し、この水分を乾燥器３６で除去する。乾燥器３６を出たアルゴンは高純度アルゴン塔３８に送られて精留され、高純度の製品アルゴンとなる。
【００５８】
したがって、本実施の形態に係るアルゴン抽出方法により、精留塔２０の上部塔２４から抽出される粗アルゴン中の一酸化炭素濃度を低く抑制することが可能となり、この粗アルゴンを精留して高純度の製品アルゴンを得ることが可能となる。
なお、本実施の形態において、一酸化炭素濃度測定装置４０のサンプリング位置をコンプレッサー１０の上流側に設けることとしたが、水洗塔１２の下流側に設けることも可能である。
【００５９】
また、本実施の形態において、コントロールバルブ４８Ｂの設置位置を熱交換器１４と下部塔２２との間に設けることとしたが、精留塔２０より上流側の他の位置に設置可能であることは勿論である。
また、本実施の形態において、制御装置４２が原料空気の一酸化炭素濃度ＣＣＯに応じて信号ＳＶＢ、ＳＶＣをコントロールバルブ４８Ｂ、４８Ｃへ送信するとしたが、運転員が一酸化炭素濃度ＣＣＯに応じて手動でコントロールバルブ４８Ｂ、４８Ｃを操作し、上部塔２４への原料空気供給量ＱＡｉｒ及び上部塔２４の外への製品酸素抽出量ＱＯ２を調整することが可能であることは勿論である。
【００６０】
次に、本実施の形態に係るアルゴン抽出方法を用いて抽出した粗アルゴン中の一酸化炭素濃度についての試験結果２を示す。なお、本試験で使用した深冷分離型空気分離装置は従来のものと同様の構成を有し、精留塔の上部塔は１箇所の粗アルゴン抽出口を備え、この上部塔への原料空気供給量ＱＡｉｒと、上部塔からの製品酸素抽出量ＱＯ２をバルブの開閉により調整可能としてある。また、この深冷分離型空気分離装置の有する空気の処理能力は、標準状態で１５４ｋｍ３／ｈである。
【００６１】
本試験において、上部塔への原料空気供給量ＱＡｉｒを標準状態で１５０ｋｍ３／ｈとし、酸素、窒素及び粗アルゴンを精留塔の上部塔より抽出した。原料空気中の一酸化炭素濃度ＣＣＯが１ｐｐｍであるときは、上部塔の粗アルゴン抽出口より抽出された粗アルゴン中の一酸化炭素濃度は０．１ｐｐｍであった。原料空気中の一酸化炭素濃度ＣＣＯが５ｐｐｍまで上昇すると、粗アルゴン抽出口から抽出された粗アルゴン中の一酸化炭素濃度は２．７ｐｐｍまで上昇した。
【００６２】
そこで、上部塔への原料空気供給量ＱＡｉｒを標準状態で１５０ｋｍ３／ｈから１５２ｋｍ３／ｈまで増加させ、同時に上部塔から抽出する廃窒素の量を変更し、精留塔のバランスを維持した。
この結果、精留塔の上部塔内で酸素が分布する領域が上方へ拡大し、アルゴン及び一酸化炭素のが分布する領域も上方へ移動し、粗アルゴン抽出口近傍の一酸化炭素濃度が低減し、粗アルゴン抽出口から抽出した粗アルゴン中の一酸化炭素濃度は０．１ｐｐｍまで低減した。
したがって、本実施の形態に係るアルゴン抽出方法によって、原料空気中の一酸化炭素濃度が変動しても粗アルゴン中の一酸化炭素濃度を低減できることが確認された。
【００６３】
【発明の効果】
本発明は、上記のようなアルゴン抽出方法であるので、原料空気空気中の一酸化炭素濃度が高くなっても、この原料空気空気に特別な前処理を施して一酸化炭素を除去する必要がなく、粗アルゴン中の一酸化炭素濃度を低く抑えることができ、工業上の要求に合致した高純度の製品アルゴンを供給可能なアルゴン抽出方法を提供できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る深冷分離型空気分離装置の構成図である。
【図２】第１の実施の形態に係る制御装置の構成図である。
【図３】第１の実施の形態に係る上部塔内における酸素、窒素、アルゴン及び一酸化炭素の濃度分布図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る深冷分離型空気分離装置の構成図である。
【図５】第２の実施の形態に係る制御装置の構成図である。
【図６】第２の実施の形態に係る上部塔内における酸素、窒素、アルゴン及び一酸化炭素の濃度分布図である。
【図７】従来の深冷分離型空気分離装置の構成図である。
【図８】従来の下部塔内の構成説明図である。
【図９】従来の上部塔内における酸素、窒素、アルゴン及び一酸化炭素の濃度分布図である。
【符号の説明】
１    深冷分離型空気分離装置
１０    コンプレッサー
１２    水洗塔
１３    モレキュラシーブス吸着塔
１４    熱交換器
２０    精留塔
２２    下部塔
２４    上部塔
２６、２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ    粗アルゴン抽出口
２８    精留板
３０    気孔
３２    連結管
３４    粗アルゴン塔
３５    パラジウム触媒槽
３６    乾燥器
３８    高純度アルゴン塔
４０    一酸化炭素濃度測定装置
４２    制御装置
４４    メモリ
４６    演算部
４８Ａ、４８Ｂ、４８Ｃ    コントロールバルブ
Ｔ１、Ｔ２    データテーブル
ＣＣＯ    原料空気中の一酸化炭素濃度
ＳＶＡ    コントロールバルブへの開閉指示信号
ＳＶＢ、ＳＶＣ    コントロールバルブへの開度指示信号
【図１】
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【図２】
2004150684.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2004150684.tif 000010
【図９】
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