(57)【要約】      （修正有）【課題】凝縮性ガスを含む気体中の酸素濃度を酸素濃度計で安定的に測定することができる酸素濃度測定装置および酸素濃度測定方法を提供する。【解決手段】下記加圧手段、下記凝縮手段、下記気液分離手段、下記減圧手段および下記酸素濃度測定手段を含む酸素濃度測定装置。加圧手段：下記酸素濃度測定手段における酸素濃度測定部の気体の圧力よりも圧力が高い凝縮性ガスを含む気体を得る手段。凝縮手段：上記加圧手段によって得られた凝縮性ガスを含む気体を冷却して凝縮し、未凝縮ガスと凝縮液とからなる混合流体にする手段。気液分離手段：上記凝縮手段によって凝縮された未凝縮ガスと凝縮液とからなる混合流体を気体と液体とに分離する手段。減圧手段：上記気液分離手段によって分離された気体の圧力を減圧する手段。酸素濃度測定手段：上記減圧手段で減圧された気体中に含まれる酸素濃度を測定する手段【選択図】図１
2012163523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記加圧手段、下記冷却手段、下記気液分離手段、下記減圧手段および下記酸素濃度測定手段を含む酸素濃度測定装置。
加圧手段：下記酸素濃度測定手段における酸素濃度測定部の気体の圧力よりも圧力が高い凝縮性ガスを含む気体を得る手段
凝縮手段：上記加圧手段によって得られた凝縮性ガスを含む気体を冷却して凝縮し、未凝縮ガスと凝縮液とからなる混合流体にする手段
気液分離手段：上記凝縮手段によって凝縮された未凝縮ガスと凝縮液とからなる混合流体を気体と液体とに分離する手段
減圧手段：上記気液分離手段によって分離された気体の圧力を減圧する手段
酸素濃度測定手段：上記減圧手段で減圧された気体中に含まれる酸素濃度を測定する手段
【請求項２】
凝縮手段が、金属性チューブと、該チューブを覆うシェル構造とからなり、上記加圧手段によって得られた凝縮性ガスを含む気体を冷却して凝縮し、未凝縮ガスと凝縮液とからなる混合流体にする手段である請求項１に記載の酸素濃度測定装置。
【請求項３】
気液分離手段が、気体捕集部が上部に設けられ、かつ液体捕集部が下部に設けられ垂直配管部と、水平配管部とからなり、上記凝縮手段によって凝縮された未凝縮ガスと凝縮液とからなる混合流体を気体と液体とに分離する手段である請求項１または２に記載の酸素濃度測定装置。
【請求項４】
下記加圧工程、下記凝縮工程、下記気液分離工程、下記減圧工程および下記酸素濃度測定工程を含む酸素濃度測定方法。
加圧工程：下記酸素濃度測定工程における酸素濃度測定部の気体の圧力よりも圧力が高い凝縮性ガスを含む気体を得る工程
凝縮工程：上記加圧工程によって得られた凝縮性ガスを含む気体を冷却して凝縮し、未凝縮ガスと凝縮液とからなる混合流体にする工程
気液分離工程：上記凝縮工程によって凝縮された未凝縮ガスと凝縮液とからなる混合流体を気体と液体とに分離する工程
減圧工程：上記気液分離工程によって分離された気体の圧力を減圧する工程
酸素濃度測定工程：上記減圧工程で減圧された気体中に含まれる酸素濃度を測定する工程
【請求項５】
凝縮工程が、金属性チューブと、該チューブを覆うシェル構造とからなる冷却装置を用いる工程である請求項４に記載の酸素濃度測定方法。
【請求項６】
気液分離工程が、気体捕集部が上部に設けられ、かつ液体捕集部が下部に設けられ垂直配管部と、水平配管部とからなる気液分離装置を用いて、気体と液体とに分離する工程である請求項４または５に記載の酸素濃度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、凝縮性ガスを含む気体中の酸素濃度を酸素濃度計で安定的に測定することができる酸素濃度測定装置および酸素濃度測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
気体中の酸素濃度の測定装置としては、磁気式、ガルバニル電池式、ジルコニア式等の酸素濃度測定装置が知られている。このような酸素濃度測定装置として、例えば、特許文献１には、燃焼排ガス中の窒素酸化物濃度と酸素濃度とを測定する燃焼排ガス測定装置において、窒素酸化物濃度と酸素濃度の双方の分析計の共通流路に燃焼排ガス中のダスト及び水分を除去する手段を設け、分岐した酸素濃度分析計の流路に二酸化硫黄を除去する手段を設けると共に、酸素濃度分析計として限界電流型ジルコニア式酸素濃度計を用いる燃焼排ガス測定装置が記載され、特許文献２には、可燃性ガスを含む測定ガス中の酸素濃度を、可燃性ガスを嫌う性質の酸素濃度計により測定する酸素濃度測定装置において、測定ガスの発生部分から引出され、直列に配列された複数の可燃性ガス除去用の活性炭フィルタを介し酸素濃度計に接続された主配管と、活性炭フィルタと活性炭フィルタとの間から引出され酸素濃度計に接続された活性炭フィルタ検査用配管と、主配管および活性炭フィルタ検査用配管のいずれか一方を酸素濃度計に連通させる弁とを具備した酸素濃度測定装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第２５４１４１９号公報
【特許文献２】特許第３３２７４８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、凝縮性ガスを含む気体中の酸素濃度を測定するには、更なる改良が求められていた。
かかる状況において、本発明が解決しようとする課題は、凝縮性ガスを含む気体中の酸素濃度を酸素濃度計で安定的に測定することができる酸素濃度測定装置および酸素濃度測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
すなわち、本発明は、下記加圧手段、下記凝縮手段、下記気液分離手段、下記減圧手段および下記酸素濃度測定手段を含む酸素濃度測定装置に係るものである。
加圧手段：下記酸素濃度測定手段における酸素濃度測定部の気体の圧力よりも圧力が高い凝縮性ガスを含む気体を得る手段
凝縮手段：上記加圧手段によって得られた凝縮性ガスを含む気体を冷却して凝縮し、未凝縮ガスと凝縮液とからなる混合流体にする手段
気液分離手段：上記凝縮手段によって凝縮された未凝縮ガスと凝縮液とからなる混合流体を気体と液体とに分離する手段
減圧手段：上記気液分離手段によって分離された気体の圧力を減圧する手段
酸素濃度測定手段：上記減圧手段で減圧された気体中に含まれる酸素濃度を測定する手段
【０００６】
また、本発明は、下記加圧工程、下記凝縮工程、下記気液分離工程、下記減圧工程および下記酸素濃度測定工程を含む酸素濃度測定方法に係るものである。
加圧工程：下記酸素濃度測定工程における酸素濃度測定部の気体の圧力よりも圧力が高い凝縮性ガスを含む気体を得る工程
凝縮工程：上記加圧工程によって得られた凝縮性ガスを含む気体を冷却して凝縮し、未凝縮ガスと凝縮液とからなる混合流体にする工程
気液分離工程：上記凝縮工程によって凝縮された未凝縮ガスと凝縮液とからなる混合流体を気体と液体とに分離する工程
減圧工程：上記気液分離工程によって分離された気体の圧力を減圧する工程
酸素濃度測定工程：上記減圧工程で減圧された気体中に含まれる酸素濃度を測定する工程
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、凝縮性ガスを含む気体中の酸素濃度を酸素濃度計で安定的に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明のうち、加圧手段として、コンプレッサーで凝縮性ガスを含む気体を所望の圧力まで加圧する手段を用いる場合の酸素濃度測定装置の概略を示す図である。
【図２】本発明のうち、加圧手段として、液相酸化反応を行う際に用いる酸素含有ガスをコンプレッサーであらかじめ加圧したのち酸化反応器に供給し、該反応器から排出される凝縮性ガスを含む気体の排出ラインに調節弁を設置して凝縮性ガスを含む気体が所望の圧力に加圧された状態とする手段を用いる場合の酸素濃度想定装置の概要を示す図である。
【図３】本発明のうち、気液分離手段が、気体捕集部が上部に設けられ、かつ液体捕集部が下部に設けられた垂直配管部と、水平配管部とからなる気液分離手段を用いる場合の気液分離装置の概要を示す図である。
【図４】本発明のうち、気液分離手段が、気体捕集部が上部に設けられ、かつ液体捕集部が下部に設けられた垂直配管部と、水平配管部とからなる気液分離手段を用い、かつ気体捕集部にワイヤーメッシュ型のミストセパレーターを用いる場合の気液分離装置の概要を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
（１）酸素濃度測定装置
本発明の酸素濃度測定装置は、下記加圧手段、下記凝縮手段、下記気液分離手段、下記減圧手段および下記酸素濃度測定手段を含む。
【００１０】
本発明の酸素濃度測定装置における加圧手段は、下記酸素濃度測定手段における酸素濃度測定部の気体の圧力よりも圧力が高い凝縮性ガスを含む気体を得る手段である。
【００１１】
凝縮性ガスを含む気体とは、例えば、酸素含有ガスを用いて、液相酸化反応を行った際に発生する気体のことであり、該液相酸化反応は、通常、常温よりも高い温度で実施され、該酸化反応において排出される気体中には、飽和蒸気圧に相当する凝縮性ガスが存在している。
【００１２】
加圧手段として、例えば、液相酸化反応を行った後に得られた凝縮性ガスを含む気体をコンプレッサーやブロアーで所望の圧力まで加圧する方法や、液相酸化反応を行う際に用いる酸素含有ガスをコンプレッサーであらかじめ加圧したのち酸化反応器に供給し、該反応器から排出される凝縮性ガスを含む気体の排出ラインに調節弁を設置して凝縮性ガスを含む気体が前記の酸素濃度測定部の気体の圧力よりも高い圧力に加圧された状態とする手段を挙げることができ、特に空気酸化の場合、反応は加圧下で行うことが、酸化反応における酸素分圧を高める観点および反応器内での気泡体積を小さくする観点から望ましく、後者の手段が好ましい。
【００１３】
本発明の酸素濃度測定装置における凝縮手段は、前記加圧手段によって得られた凝縮性ガスを含む気体を冷却して凝縮性ガスを凝縮し、未凝縮ガスと凝縮液とからなる混合流体にする手段である。
【００１４】
本発明において凝縮性ガスとは、気体中に含まれる成分のうち、冷却により凝縮して液となるものを意味し、具体的には、プロセス配管から分取されて前述の酸素濃度測定装置に導かれる間の温度低下により、凝縮して液となる成分を意味する。
一方、本発明において未凝縮性ガスとは、気体中に含まれる、酸化反応で消費されなかった未反応の酸素ガス、また空気酸化であれば空気に含まれる窒素等の酸化反応に寄与しないガスを意味する。
さらに、本発明において未凝縮ガスとは、前述の凝縮手段の温度圧力条件下において凝縮しない非凝縮性ガス、および非凝縮性ガスに同伴して蒸気圧分含まれる凝縮性ガスの混合ガスを意味する。
本発明における凝縮手段の温度は実施者がプロセスを考慮して決定すればよいが、凝縮手段で用いる冷却の熱源として水やプロピレングリコール水溶液を用いることができるため、凝縮温度は０℃以上であることが好ましい。
本発明における凝縮手段の圧力は実施者がプロセスを考慮して決定すればよいが、凝縮手段に用いられる冷却器や加圧手段に用いられる加圧設備のコストの面から通常は１０ＭＰａＧ以下である。
【００１５】
凝縮手段として、好ましくは、金属性チューブと、該チューブを覆うシェル構造とからなり、上記加圧手段によって得られた凝縮性ガスを含む気体を冷却して凝縮する手段であり、具体的には、金属性チューブと、該チューブを覆うシェル構造とからなる熱交換器である。金属チューブをコイル状とすることで少ない容積で多くの伝熱面積を得ることができ、製作上も容易な構造にでき、コストを抑えることができる。さらに本発明では、該チューブ内を凝縮性ガスを含む気体が通過し、チューブを覆うシェル側に冷熱源（例えば冷却水）を通液する熱交換器であることが特に好ましい。通常、熱交換器（凝縮器）では、流動圧力損失を抑制する観点から、凝縮性ガスはシェル側を通過させることが一般的であるが、本発明の酸素濃度測定装置においては、シェル側を通過させた場合、熱交換器のガス通過時間が長くなり、酸素濃度測定までの時間遅れが顕著となるため好ましくないからである。
【００１６】
本発明の酸素濃度測定装置における気液分離手段は、上記凝縮手段によって凝縮された未凝縮ガスと凝縮液とからなる混合流体を気体と液体とに分離する手段である。
【００１７】
気液分離する手段としては、一般的な気液分離装置、例えば縦型気液分離ドラム、デミスター付き分離ドラム、コアレッサー、垂直分離管、気液分離膜等を実施者が適時選定して用いれば良いが、設置コスト、メンテナンスコスト、閉塞時のトラブルを考慮すると、構造が単純でかつ設置、メンテナンスコストのかからない重力分離式の垂直分離管が好ましい。垂直分離管を使用した気液分離管の具体例としては、気体捕集部が上部に設けられ、かつ液体捕集部が下部に設けられた垂直配管部と、未凝縮ガスと凝縮液とからなる混合流体を該垂直配管部に供給するための水平配管部とからなる気液分離管を例示することができる。こうすることで、垂直分離管の上部からは酸素濃度を測定するためのサンプルガス（気体）が得られ、下部からは凝縮液（液体）が得られる。
【００１８】
本発明の酸素濃度測定装置における減圧手段は、気液分離手段によって分離された気体の圧力を減圧する手段である。
【００１９】
減圧する手段としては、気液分離手段によって分離された気体を酸素濃度測定手段に送るラインに調節弁や制限オリフィスを設置し、圧力を下げる手段を例示でき。特に、前記の手段が調節弁である場合、流体の流れ方向の調節弁の下流に圧力計を設置して、任意の圧力に調節を行える観点から特に好ましい。
【００２０】
本発明の酸素濃度測定装置における酸素濃度測定手段は、減圧手段で減圧された気体中に含まれる酸素濃度を測定する手段である。
【００２１】
酸素濃度測定に用いられる測定装置としては、磁気式、ガルバニル電池式、ジルコニア式等があるが、特に有機化合物の酸化反応によって排出される気体中の未反応の酸素濃度を測定する場合、可燃性ガスを含有していても制度良く測定できる観点から磁気式が好ましい。
【００２２】
（２）酸素濃度測定方法
本発明の酸素濃度測定方法は、下記加圧工程、下記凝縮工程、下記気液分離工程、下記減圧工程および下記酸素濃度測定工程を含む。
【００２３】
本発明の酸素濃度測定方法における加圧工程は、下記酸素濃度測定工程における酸素濃度測定部の気体の圧力よりも圧力が高い凝縮性ガスを含む気体を得る工程である。
【００２４】
本工程で、凝縮性ガスを含む気体を下記酸素濃度測定工程における酸素濃度測定部の気体の圧力よりも高い圧力にする方法としては、すでに述べた加圧手段を用いることができる。
【００２５】
本発明の酸素濃度測定方法における凝縮工程は、上記加圧工程によって得られた凝縮性ガスを含む気体を冷却して凝縮し、未凝縮ガスと凝縮液とからなる混合流体にする工程である。
【００２６】
凝縮する方法としては、既に述べた凝縮手段を用いることができる。凝縮工程では、酸素濃度測定工程よりも高い圧力にて凝縮を行う、すなわち、前記の加圧工程にて酸素濃度測定部の気体の圧力よりも高い圧力にされた凝縮性ガスを含む気体を凝縮する必要がある。
【００２７】
本発明の酸素濃度測定方法における気液分離工程は、上記凝縮工程によって凝縮された未凝縮ガスと凝縮液とからなる混合流体を気体と液体とに分離する工程である。
【００２８】
気液分離する方法としては、すでに述べた気液分離手段を用いることができる。気体捕集部は、確実な気液分離の観点から滞留時間を長くすることが好ましいが、一方で酸素濃度の測定時間遅れも長くなることから、通常気体捕集部の滞留時間は１５分以下、好ましくは１０分以下、さらに好ましくは０．１分〜５分である。液体捕集部は凝縮液を捕集してプロセスへ返すことができる構造であれば良く特に制限は無いが、液体捕集部に液面が形成される構造、例えば液体捕集部から凝縮液を取り出す配管にＵシール部を設けることが好ましい。このようにすることで、凝縮液をプロセスへ返送するための配管から凝縮性ガスを含む気体が逆流することを防止できる。
【００２９】
本発明の酸素濃度測定方法における減圧工程は、上記気液分離工程によって分離された気体の圧力を減圧する工程である。
【００３０】
減圧する方法としては、すでに述べた減圧手段を用いることができ、特に、該気体を酸素濃度測定手段に送るラインに調節弁を設置し、かつ流体の流れ方向の調節弁の下流に圧力計を設置して、所定の圧力まで減圧されるように調節弁の弁開度を調整することが望ましい。
【００３１】
本発明の酸素濃度測定方法における酸素濃度測定工程は、上記減圧工程で減圧された気体中に含まれる酸素濃度を測定する工程である。
【００３２】
酸素濃度を測定する方法としては、有機化合物の酸化反応の排ガス中の未反応の酸素濃度を測定する場合、可燃性ガスを含有していても制度良く測定できる観点から磁気式が好ましい。
【００３３】
以下本発明の好ましい態様を図面を用いて説明する。
図１は、本発明のうち、加圧手段として、コンプレッサーで凝縮性ガスを含む気体を所望の圧力まで加圧する手段を用いる場合の酸素濃度測定装置の概略を示す図である。
酸化反応器（１）に空気供給配管（２）から空気を吹き込み、酸化反応器（１）中で液相酸化反応を行い、反応で発生した凝縮性ガスを含む気体（４）は、酸化反応器（１）の上部に設けられた配管から排出され、排出された凝縮性ガスを含む気体（４）は、コンプレッサー（５）で所望の圧力まで加圧される。
所望の圧力まで加圧された凝縮性ガスを含む気体（４）は、冷却装置（熱交換器）（６）を通じて、凝縮され、未凝縮ガスと凝縮液とからなる混合流体となり、気液分離装置（９）で気体と液体とに分離される。
分離された気体は、圧力調節弁（１０）にて圧力調整され、磁気式酸素濃度計（１２）で気体中に含まれる酸素濃度が測定される。
【００３４】
図２は、本発明のうち、加圧手段として、液相酸化反応を行う際に用いる酸素含有ガスをコンプレッサーであらかじめ加圧したのち酸化反応器に供給し、該反応器から排出される凝縮性ガスを含む気体の排出ラインに調節弁を設置して凝縮性ガスを含む気体が所望の圧力に加圧された状態とする手段を用いる場合の酸素濃度想定装置の概要を示す図である。
酸化反応器（１）に空気供給配管（２）から空気を吹き込み、酸化反応器（１）中で液相酸化反応を行う。この際に用いる空気は、あらかじめ、コンプレッサー（５）で所望の圧力まで加圧された空気が用いられる。反応で発生した凝縮性ガスを含む気体（４）は、酸化反応器（１）の上部に設けられた配管から排出され、該配管に設けられた調節弁によって凝縮性ガスを含む気体（４）の圧力が調節される。
その後の操作としては、図１の操作と同様である。
【００３５】
本願発明の最大の特徴は、凝縮性ガスを含む気体中に含まれる酸素濃度を測定する際に、凝縮性ガスを含む気体中に含まれる凝縮性ガスを、酸素濃度測定部で扱うガスの圧力よりも高い圧力とし、該圧力の高い状態で凝縮を行い、次いで気液分離を行い、得られた気体を減圧してから酸素濃度測定する点に存する。このようにすることで、本発明の効果が得られる理由を説明する。まず、凝縮性ガスを含む気体を高い圧力下で一端冷却して凝縮を行い、気液平衡状態となったガスを気液分離することで、得られるガスは該凝縮温度における飽和となる。このガスは飽和であるから、分離後にさらに放熱等で温度が下がると新たに凝縮液滴を生じ、また気液分離では除去できなかった微細な同伴液滴を含む。次いで減圧を行うと、凝縮性ガスの分圧が低下し、液滴は消失する。このようにして得られたガスは未飽和であるから、酸素濃度を妨げることがないのである。
また、本願発明において、凝縮工程が、金属性チューブと、該チューブを覆うシェル構造とからなる冷却装置を用いて、該金属チューブ側に加圧された凝縮性ガスを含む気体を通ガスし、凝縮することが特に好ましい理由は、すでに述べたとおりであるが、本発明のように、凝縮性ガスを含む気体が加圧工程にて酸素濃度測定部で扱うガスの圧力よりも高い圧力とすることで、チューブを通過する際の流体の圧力損失が大きくても許容でき、よって凝縮手段に用いる冷却装置の設計が容易となる。
さらに、本願発明において、気液分離工程が、気体捕集部が上部に設けられ、かつ液体捕集部が下部に設けられた垂直配管部と、水平配管部とからなる気液分離装置を用いて、気液分離することが好ましい理由は、すでに述べたとおりであるが、気体捕集部に市販のワイヤーメッシュ型のミストセパレーターやコアレッサーを追加設置してもよい。
【符号の説明】
【００３６】
（１）        酸化反応器
（２）        空気供給配管
（３）        空気吹き込みノズル
（４）        凝縮性ガスを含む気体
（５）        コンプレッサー
（６）        冷却装置（熱交換器）
（７）        冷却水入口
（８）        冷却水出口
（９）        気液分離装置
（１０）      圧力調節弁
（１１）      液体捕集部から凝縮液を取り出す配管のＵシール部
（１２）      磁気式酸素濃度計
（１３）      混合流体を気液分離手段の垂直配管部に供給するための水平配管部
（１４）      酸素濃度を測定するためのサンプルガス
（１５）      凝縮液
（１６）      混合流体を気液分離手段の垂直配管部に供給するための水平配管部
（１７）      ワイヤーメッシュ型のミストセパレーター
（１８）      気体捕集部
（１９）      液体捕集部
【図１】
2012163523.tif 000003
【図２】
2012163523.tif 000004
【図３】
2012163523.tif 000005
【図４】
2012163523.tif 000006