液面計及び液面高さの測定方法、並びに精留塔及び精留塔の運転方法
【課題】精留分離法において採取対象製品の収率への影響がなく、精留塔の底部に溜まった流体の液密度が運転中に大きく変化する場合であっても、正しい液面高さを測定することが可能な液面計を提供する。
【解決手段】精留塔底部の液ヘッドを測定する圧力測定手段と、精留塔の底部に溜まった流体の温度を測定する温度測定手段と、液ヘッドと温度とから流体の液面高さを算出する演算手段と、を備える。
【解決手段】精留塔底部の液ヘッドを測定する圧力測定手段と、精留塔の底部に溜まった流体の温度を測定する温度測定手段と、液ヘッドと温度とから流体の液面高さを算出する演算手段と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液面計及び液面高さの測定方法の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
精留分離法は、空気液化分離装置など多くの分野で用いられている。精留分離法では、原料流体を精留塔に導入し、原料流体を構成する各成分の沸点差を利用して分離する。ここで、各精留塔の底部（下部、塔底と称される場合もある）には、各精留塔内流体成分中の高沸点成分が液状で貯液されており、それらの高沸点成分の量を把握する為に液面計が設置されている。
【０００３】
ところで、クリプトン及びキセノンは大気中の微量成分であり、大気中にそれぞれ、１．１４ｐｐｍ、０．０８７ｐｐｍ含まれている。クリプトンは、ランプの封入ガス等に用いられている。一方、キセノンはキセノンランプ封入ガス、イオンエンジンの推進剤、二層断熱ガラス等に用いられている。
【０００４】
クリプトン及びキセノンは、工業的には空気の低温蒸留によって分離される。つまり、空気分離を主目的とする複式精留塔で濃縮された後、所定の分離プロセスを経て分離、精製される。クリプトン及びキセノンの沸点は酸素よりも高いため、複式精留塔の低圧塔底部の液体酸素中に濃縮される。
【０００５】
一方、原料空気に微量含まれる炭化水素の沸点は酸素よりも高いため、クリプトン及びキセノンと共に低圧塔底部の液体酸素中に濃縮される。従って、基本的にはクリプトン、キセノン及び炭化水素が濃縮された液体酸素を原料として、炭化水素が除去された後、クリプトン、キセノンが更に濃縮され、それぞれ分離精製されることとなる。
【０００６】
ところで、原料空気からクリプトン及びキセノンを分離する方法としては、特許文献１〜３が知られている。具体的に、この特許文献１には、図７に示すように、複式精留塔１０１の低圧塔底部のクリプトン及びキセノンが濃縮された液体酸素を順次、濃縮塔１０２、脱酸塔１０３、分離塔１０４から構成される空気液化分離装置１００に導入してクリプトン及びキセノンを分離するプロセスが開示されている。ここで、複式精留塔１０１の低圧塔底部の液体酸素中におけるクリプトン及びキセノンの濃度は、それぞれ４００ｐｐｍ、２０ｐｐｍ程度であるが、濃縮塔１０２でそれぞれ９０００、１０００ｐｐｍまで濃縮される。次に、この液体酸素から炭化水素が除去された後、脱酸塔１０３に導入されて、塔底にクリプトン（９０〜９５％）、キセノン（５〜１０％）が濃縮される。そして、この塔底部に溜まった液（以下、「塔底液」と称する場合がある）が分離塔１０４に導入され、塔底にキセノン、塔頂にクリプトンがそれぞれ分離される。なお、下記表１に大気圧における空気を構成する各成分の物性を示す。
【０００７】
【表１】
【０００８】
また、特許文献２及び特許文献３には、従来の液体酸素中の炭化水素の濃縮、除去が不要となるプロセスが開示されている。具体的には、特許文献２及び特許文献３には、クリプトン、キセノン及び炭化水素が濃縮された液体酸素を粗クリプトン塔に導入し、クリプトン及びキセノンを液体窒素中に濃縮すると同時に炭化水素をパージするプロセスが開示されている。そして、このプロセスによって得られた、クリプトン及びキセノンを含む液体窒素を後工程、例えば、特許文献１に記載された脱酸塔に導入することにより、その底部にクリプトン及びキセノンを濃縮することができる。
【０００９】
このように、特許文献１〜３に開示されたクリプトン及びキセノンの分離プロセスでは、液体酸素、液体窒素或いは合成ガス中にクリプトン及びキセノンを濃縮し、同伴される炭化水素を除去した後、一旦、粗クリプトン−キセノン液（クリプトン９０〜９５％、キセノン５〜１０％）が濃縮されることとなる。
【００１０】
しかしながら、この粗クリプトン−キセノン液を濃縮する際、精留塔に設けられた液面計の指示値と実際の液面の高さとの間に大きな誤差（以下、「指示誤差」と称する場合がある）が生じ、装置の安全上好ましくないという問題があった。
【００１１】
特許文献１に開示されたクリプトン及びキセノンを分離精製するプロセスでは、脱酸塔でクリプトン及びキセノンが濃縮された液体酸素から酸素分を除去するが、この脱酸塔の底部に溜まった高沸点成分流体の液面高さを測定するための液面計が設けられている。この液面計では、脱酸塔の底部に溜まった液体の底面と液面より上部の気相部との差圧（以下、単に「液ヘッド」と称する）Δｐを測定し、下記式（１）に基づいて、液面高さｈを算出する方法が一般的に用いられている。一般に、液ヘッドは、液頭や液柱とも表現されるもので、当該液体の底面における液体自身の圧力をいうが、本発明では、液ヘッドに起因する液体の底面における圧力と液面より上方の気相部の圧力との差を、単に「液ヘッド」と称する。
【００１２】
Δｐ＝ρｇｈ ・・・（１）
なお、式（１）式中、ρは対象成分の液密度、ｇは重力加速度、ｈは液面高さをそれぞれ表している。
【００１３】
このように、従来の液面計で用いられる液面高さｈの算出方法は、対象となる成分の液密度を設定し、液ヘッドΔｐを測定するという簡便な方法である。しかしながら、対象となる液体の密度が予め設定した液密度の値と大きく異なる場合には、液面計の指示値と実際の液面の高さとの間に大きな誤差が生じることとなる。
【００１４】
例えば、脱酸塔の底部に粗クリプトン−キセノン液を濃縮する場合、脱酸塔に設けられる液面計には、定常状態、つまり塔底液が粗クリプトン−キセノン（クリプトン９０〜９５％、キセノン５〜１０％）であることを前提として液密度の値が設定される。しかしながら、クリプトン−キセノン精製装置の起動時には、脱酸塔にクリプトン及びキセノンが濃縮された液体酸素が導入されるため、塔底には液体酸素が貯液されることとなる。
【００１５】
そして、液体クリプトン及び液体キセノンの密度と比較して、液体酸素の密度は小さいため、クリプトン−キセノン精製装置の起動時から塔底液の成分が定常状態となるまでの間、脱酸塔の底部に溜まった流体の実際の液面の高さに対して液面計には大きな指示誤差が生じてしまっていた。
【００１６】
したがって、クリプトン−キセノン精製装置の運転を開始し、液面計の指示値を監視していた場合に、液面計の指示値が低くても、実際の液面は精留塔の棚段（或いは充填材）に浸った状態になる、あるいは、脱酸塔への導入配管部分（例えば、図７に示す配管Ｌ１０３）よりも上となる可能性があり、装置の安全上好ましくないという問題があった。
【００１７】
また、特許文献２及び特許文献３に開示されたプロセスでは、安全上の理由から、クリプトン及びキセノンは液体窒素或いは合成ガス中に濃縮されるが、上述した特許文献１の場合と同様に、正しい液面計指示が得られない点は改善されていない。そればかりか、液体窒素の密度は液体酸素の密度よりも更に小さい為、液面計の指示値と実際の液面高さとの誤差は更に大きくなる傾向があった。
【００１８】
ところで、対象の流体の液密度が変動する場合に液面計の指示値を補正する方法として、特許文献４が開示されている。この特許文献４には、対象の流体の液密度が変化した場合であっても、その液密度を直接測定することにより液面計の指示誤差を補正して、液面の高さを制御する方法が開示されている。しかしながら、原料空気からクリプトン及びキセノンを分離製造する場合には、上記表１中にも示したように対象のクリプトン、キセノン自体が極めて少量であるため、脱酸塔の液面計指示値を補正するために当該底部の液を分析に用いること自体が製品の収率に大きく影響してしまうという問題があった。
【００１９】
例えば、国内で稼動している最大規模の空気分離装置の処理空気量は、毎時３２０，０００Ｎｍ３程度であり、その原料空気に含まれているクリプトン及びキセノンを仮に全量回収した場合であっても、それぞれの採取可能量は毎時約０．３６Ｎｍ３、約０．０３Ｎｍ３程度である。つまり、脱酸塔底液の組成を測定する場合、塔から分析装置までの配管内のパージや、実際の分析で必要なクリプトン或いはキセノンの使用量は製品量に対して相対的に大きく、長い起動時間内に頻繁に分析することは製品収率が低下する原因となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開平０７−１３９８７６号公報
【特許文献２】特公平０８−００７０２０号公報
【特許文献３】特公平０８−００７０２１号公報
【特許文献４】特開平０９−１０１８２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、精留分離法において採取対象の収率への影響がなく、精留塔の底部に溜まった流体の液密度が運転中に大きく変化する場合であっても、正しい液面高さを測定することが可能な液面計及び液面高さの測定方法、並びに精留塔及び精留塔の運転方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
かかる課題を解決するため、本発明者らが鋭意研究した結果、所定の運転圧力における精留塔内の混合成分の組成により液密度と飽和液温度とが大きく異なる点に着目した。そして、精留塔の底部に溜まった流体の液温度を測定することにより、液密度を推算し、その結果を用いて液面高さを算出することができることを見出して本発明を完成させた。
【００２３】
すなわち、本発明は、以下の構成を備える。
請求項１に記載の発明は、２以上の混合流体から１つの成分を低温精留によって分離或いは濃縮する精留塔に設けられ、前記精留塔の底部に溜まった流体の液面高さを測定するための液面計であって、
前記精留塔底部の液ヘッドを測定する圧力測定手段と、
前記精留塔の底部に溜まった流体の温度を測定する温度測定手段と、
前記液ヘッドと前記温度とから流体の液面高さを算出する演算手段と、を備えることを特徴とする液面計である。
【００２４】
請求項２に記載の発明は、前記精留塔が、クリプトン及びキセノンの少なくとも一方を含む酸素、窒素、アルゴン、合成ガス、二酸化炭素のいずれか１つの流体又は２以上の混合流体から、前記クリプトン及び前記キセノンの少なくとも一方を低温精留によって分離或いは濃縮する精留塔であることを特徴とする請求項１に記載の液面計である。
【００２５】
請求項３に記載の発明は、前記演算手段には、前記精留塔の運転圧力及び当該精留塔内の流体の組成における、前記流体の温度と液密度との関係が記憶されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の液面計である。
【００２６】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の液面計が設けられていることを特徴とする精留塔である。
【００２７】
請求項５に記載の発明は、２以上の混合流体から１つの成分を低温精留で分離或いは濃縮する精留塔において、前記精留塔の底部に溜まった流体の液面高さを測定するための方法であって、
精留塔底部の液ヘッドを測定するステップと、
精留塔の底部に溜まった流体の温度を測定するステップと、
測定された前記温度から、前記流体の液密度を計算するステップと、
前記液ヘッドと前記液密度とから、前記精留塔の底部に溜まった流体の液面高さを算出するステップと、を少なくとも備えることを特徴とする液面高さの測定方法である。
【００２８】
請求項６に記載の発明は、前記液ヘッドと前記液密度とから、前記精留塔の底部に溜まった流体の液面高さを算出するステップが、
前記精留塔の運転圧力及び当該精留塔内の流体の組成における、前記流体の温度と液密度との関係から算出することを特徴とする請求項５に記載の液面高さの測定方法である。
【００２９】
請求項７に記載の発明は、請求項４に記載の精留塔の運転方法であって、
精留塔の起動時から定常運転時まで、前記精留塔底部の液ヘッドと、前記精留塔の底部に溜まった流体の温度とを連続的又は間欠的に測定することにより、液面計の液面指示を補正することを特徴とする精留塔の運転方法である。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の液面計及び液面高さの測定方法によれば、精留分離法において精留塔の底部に溜まった流体の液密度が変化する場合であっても、流体の温度を測定して当該液体の実際の液密度を推算することができるため、製品として採取対象である成分の収率に影響することなく正しい液面高さを測定することができる。
【００３１】
本発明の精留塔及び精留塔の運転方法によれば、起動時から定常運転時の間に精留塔の底部に溜まった流体の液密度が変化する場合であっても、流体の温度を測定することにより正しい液面高さを測定することができるため、精留塔底部の液面の、より精度の高い制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明を適用した実施形態である精留塔及び液面計の一例を示す模式図である。
【図２】本発明を適用した実施形態である液面高さの測定方法の一例を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明を適用した一実施形態である脱酸塔の起動から定常状態における酸素とクリプトンとの混合物の沸点と液密度との関係の示すグラフである。
【図４】本発明を適用した一実施形態である分離塔の起動から定常状態におけるクリプトンとキセノンとの混合物の沸点と液密度との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の液面高さの測定方法の他の例を説明するための、精留塔の運転条件における液温度と液密度との関係を示すグラフである。
【図６】本発明を適用した実施形態である液面高さの測定方法の他の例を説明するためのフローチャートである。
【図７】従来の空気液化分離装置の構成を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明を適用した一実施形態である精留塔及び液面計について、液面高さの測定方法及び精留塔の運転方法とともに図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００３４】
先ず、本発明を適用した一実施形態である精留塔として、原料空気からクリプトン及びキセノンを分離する空気液化分離装置を構成する脱酸塔に適用した場合について説明する。本実施形態の脱酸塔は、図示略の濃縮塔と分離塔との間に設けられた精留塔である。（なお、空気液化分離装置の全体の構成については、図７を参照するものとする。）
【００３５】
図１に示すように、本実施形態の脱酸塔（精留塔）１の内部には、流体を精留する棚段（又は充填材）１Ａが設けられており、底部には溜まった流体Ｌを加熱するためのリボイラー１Ｂが設けられている。また、脱酸塔１の高さ方向中央部には、濃縮塔から送られてきた流体を脱酸塔１の内部に導入するための配管Ｌ３が接続されており、脱酸塔１の底部（下部、塔底と称する場合もある）には、溜まった流体Ｌを後段の分離塔に供給するための配管Ｌ４が接続されている。
【００３６】
ここで、本実施形態の脱酸塔１は、本発明を適用した一実施形態である液面計２が設けられている。本実施形態の液面計２は、脱酸塔１の底部に溜まった流体Ｌの液面高さＨを測定するために設けられている。
【００３７】
具体的に、本実施形態の液面計２は、図１に示すように、脱酸塔１の底部に溜まった流体Ｌの液ヘッド（Δｐ）を測定する圧力計（圧力測定手段）３と、上記流体Ｌの温度を測定する温度計（温度測定手段）４とを備えて概略構成されている。
【００３８】
圧力計３は、脱酸塔１の底部に溜まった流体Ｌの液ヘッド（Δｐ）を測定することができるものであれば特に限定されるものではない。ここで、流体Ｌの液ヘッド（Δｐ）とは、具体的には、脱酸塔１の下部液面より上方の気相部１ａと、脱酸塔１の下端部１ｂとの間の圧力差である。このため、圧力計３としては、差圧計を用いることができる。なお、差圧計としては、上記気相部１ａと上記下端部１ｂとの差圧を測定可能なものであれば特に限定されるものではなく、従来公知のものを使用することができる。
【００３９】
温度計４は、脱酸塔１の底部に溜まった流体Ｌの温度を測定することができるものであれば特に限定されるものではない。なお、温度計としては、例えば熱電対等の従来公知の温度計を用いることができる。
【００４０】
以上のような構造を有する脱酸塔１では、それぞれ９０００、１０００ｐｐｍ程度まで濃縮されたクリプトン及びキセノンを含む液体酸素が、前段に設けられた濃縮塔（図示略）から配管Ｌ３を介して中央部付近に導入される。
【００４１】
導入された液体酸素は、脱酸塔１の内部に設けられた棚段（又は充填材）１Ａ及びリボイラー１Ｂによってクリプトン−キセノンと分離される。そして、クリプトン−キセノンよりも低沸点である酸素が脱酸塔１の塔頂部から回収される。
【００４２】
一方、脱酸塔１の底部には、クリプトン（９０〜９５％）、キセノン（５〜１０％）が濃縮された流体Ｌが溜まる。そして、塔底に接続された配管Ｌ４から上記流体Ｌを後段の分離塔（図示せず）に供給する。
【００４３】
ところで、この脱酸塔１では、底部に溜まった流体Ｌの液面高さＨを液面計２で測定し、この液面高さＨを所定の範囲となるようにリボイラー１Ｂを制御している。リボイラー１Ｂを炊き上げることによって、底部に溜まった流体を蒸発させて脱酸塔１の精留に寄与する上昇ガスを発生させている。
【００４４】
一般に、精留塔に設けられた液面計では、塔底に溜まった流体（塔底液ともいう）の液ヘッド（Δｐ）を測定し、前述の式（１）に示すように、流体の液ヘッド（Δｐ）と流体の液密度ρとから液面高さｈを算出する方法が用いられている。
【００４５】
ここで、脱酸塔１の塔底に粗クリプトン−キセノン液を濃縮する場合、従来の脱酸塔に設けられた液面計には、この脱酸塔が定常状態（定常運転時）、つまり塔底液が粗クリプトン−キセノン（クリプトン９０〜９５％、キセノン５〜１０％）液となったときの液密度が用いられていた。
【００４６】
しかしながら、脱酸塔１の起動時にはクリプトン、キセノンが濃縮された液体酸素がこの脱酸塔１内に導入され、塔底には液体酸素が貯液されることになる。すなわち、脱酸塔１の塔底に溜まる流体Ｌは、この脱酸塔１の起動時から定常運転時までその組成が順次変化していくため、上記流体Ｌの液密度はこの組成の変化に応じて変動することとなる。
【００４７】
このため、本実施形態の液面計２は、脱酸塔１の底部に溜まる流体Ｌの液面高さＨを算出するための演算を行う演算部（演算手段）５を備えている。
【００４８】
演算部５は、例えばＰＬＣ（Programmable Logic Controller）などのプロセスコンピュータからなり、上記圧力計３及び温度計４と電気的に接続されている。そして、演算部５は、圧力計３及び温度計４から測定データが供給されると、内部に記録された演算プログラムに従って、液面高さＨの測定を行なう。なお、演算部５は、上述した測定データ及び液面高さＨの測定結果を、表示部６に表示したり、プリンタに出力したりすることもできる。
【００４９】
以下、脱酸塔１において、本発明を適用した液面計２を用いて脱酸塔１の底部に溜まった流体Ｌの液面高さＨを測定するための測定方法について、図２に示すフローチャートに従って説明する。
【００５０】
本発明を適用した液面計２では、先ず、図２に示すステップＳ１に進み、脱酸塔１の塔底に溜まった流体Ｌの液ヘッド（Δｐ）を測定する。具体的には、例えば図１に示すように、脱酸塔１の下部液面より上方の気相部１ａと、脱酸塔１の下端部１ｂとの間の差圧を圧力計３によって測定する。
【００５１】
次に、液面計２では、図２に示すステップＳ２に進み、例えば図１に示すように温度計４を用いて脱酸塔１の底部に溜まった流体Ｌの温度（Ｔ）を測定する。
【００５２】
次に、液面計２では、図２に示すステップＳ３に進み、上記ステップＳ２で測定した温度（Ｔ）から脱酸塔１の塔底に溜まった流体Ｌの液密度（ρ）を推算する。ここで、温度（Ｔ）に対する液密度（ρ）の推算値は、脱酸塔１の運転状態（運転圧力）における酸素とクリプトンとの混合物の沸点と、液密度との関係から推算する。また、上記運転状態における混合物の沸点と液密度との関係は、事前に調査及び測定した結果を予め演算部５に記憶（格納）しておく。
【００５３】
脱酸塔１の起動から定常状態における酸素とクリプトンとの混合物の沸点と液密度との関係の一例を図３に示す。図３に示すように、液体酸素（点Ａ）と液体クリプトン（点Ｂ）との沸点差は約３０℃、液密度は約２倍程度異なっている。
【００５４】
すなわち、脱酸塔１の起動時は、図３中の点Ａに示すように、脱酸塔１の塔底に溜まる流体（塔底液ともいう）が液体酸素であり、その液密度は約１０６０ｋｇ／ｍ３である。その後、脱酸塔１内での精留により塔底液のクリプトン−キセノンの濃度が多くなる。そして、脱酸塔の起動が完了し装置が整定する（すなわち、定常運転となる）と、図３中の点Ｂに示すように、塔底液はクリプトン９０〜９５％、キセノン５〜１０％となる。このように、上記点Ａと点Ｂとを結ぶ曲線より、温度（Ｔ）から液密度（ρ）を推算することができる。
ここで、図３中の点Ｅと点Ｆは、空気分離装置／複式精留塔の低圧塔における起動時（液体空気）から定常状態（液体酸素）に至る液温度と液密度の関係を示したが、液密度の差は１．１倍程度であるので低圧塔の液面指示に及ぼす影響は少ない。
【００５５】
なお、脱酸塔１の底部に溜まった流体Ｌには、実際は、酸素−クリプトン−キセノンとの三成分が含まれている。しかし、脱酸塔１の塔底液のキセノン組成は５〜１０％程度であり、上記塔底液を、酸素とクリプトンとの二成分系としても、最終的な液面指示に及ぼす影響は少ない。
【００５６】
次に、液面計２では、図２に示すステップＳ４に進み、上記液ヘッド（Δｐ）と上記液密度の推算値（ρ）とから、脱酸塔１の底部に溜まった流体Ｌの液面高さＨを算出する。
【００５７】
ここで、液面高さＨは、下記式（２）により算出することができる。
Ｈ＝（Δｐ）／（ρｇ） ・・・（２）
【００５８】
以上のようにして、本発明を適用した液面計２を用いて脱酸塔１の底部に溜まった流体Ｌの液面高さＨを測定することができる。
【００５９】
ところで、脱酸塔等の精留塔に設けられる従来の液面計によれば、上記液ヘッド（Δｐ）、すなわち、精留塔の塔底に溜まった液体の液面より上方の気相部と、精留塔の下端部との間の差圧を測定する圧力計と、この圧力計の測定値と予め入力されている定常運転時の液密度とから液面高さを算出するための演算部とを備えた構成となっていた。
【００６０】
しかしながら、上述したように精留塔の起動時から定常運転時までに塔底に溜まる流体の成分は定常運転時に想定される流体の成分と異なるため、演算部に予め入力されて液密度（入力値）と、実際の液密度（実測値）とは乖離していた。このため、従来の液面計では、精留塔の運転を開始してから定常運転状態となるまでの間は、精留塔の塔底に溜まっている流体の液面高さを正確に測定することができなかった。
【００６１】
これに対して本実施形態の液面計２によれば、脱酸塔１の塔底に溜まった流体Ｌの温度を測定する温度計４を備え、演算部５には脱酸塔１の運転状態（運転圧力）における酸素とクリプトンとの混合物の沸点と、液密度との関係が記憶された構成となっている。このため、流体Ｌの温度を温度計４によって測定し、測定値を演算部５に入力することにより、流体Ｌの一部をサンプリングして実際に液密度を実測することなく、液密度を推算することができる。したがって、圧力計３の測定値と上記液密度の推算値とから液面高さＨを測定することができる。
【００６２】
このように、本実施形態の液面計２によれば、温度計４という簡単な構成を追加し、流体の温度を測定することにより、脱酸塔１の運転を開始してから定常運転状態となるまでの間であっても、この脱酸塔１の底部に溜まっている流体Ｌの液面高さＨを正確に測定することができる。
【００６３】
次に、上記液面計２を備えた本実施形態の脱酸塔１の運転方法について説明する。
具体的に、本実施形態の脱酸塔１の運転方法は、当該脱酸塔１の起動時から定常運転時まで、上述したように液面計２を用いて脱酸塔１の底部（塔底）に溜まった流体Ｌの液面高さＨを所定の間隔で、すなわち、連続的又は間欠的に測定する。そして、得られた液面高さＨの値に基づき、脱酸塔１内の液面高さＨが所定の範囲となるように制御する。なお、液面高さＨの制御は、脱酸塔１に設けた図示略の制御部に液面計２の演算部５からの測定結果を供給し、リボイラー１Ｂの出力を制御すること等により行なうことができる。
【００６４】
以上説明したように、本実施形態の液面計２及び液面高さＨの測定方法によれば、脱酸塔１の底部に溜まった流体Ｌの液密度が変化する場合であっても、流体Ｌの温度を温度計４で測定することにより、サンプリングして実測することなく当該液体の実際の液密度を推算することができる。このため、製品として採取対象であるクリプトン及びキセノンの収率に影響することなく正しい液面高さＨを測定することができる。
【００６５】
本実施形態の脱酸塔１及びその運転方法によれば、起動時から定常運転時の間に当該脱酸塔１の底部に溜まった流体Ｌの組成（すなわち液密度）が変化する場合であっても、流体Ｌの温度を液面計２の温度計４で測定することにより正しい液面高さＨを測定することができる。このため、脱酸塔１の底部の液面高さＨをより高精度に制御することができる。
【００６６】
なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、本発明を適用した精留塔は、上記図１に示す脱酸塔１に必ずしも限定されるものではなく、例えば図７に示す分離塔などであってもよい。この場合も、液体クリプトン、液体キセノンの密度、飽和温度は大きく異なるので、本発明を採用することは有効である。
【００６７】
本発明を適用した精留塔として、粗クリプトン−キセノン液（クリプトン９０〜９５％、残部キセノン）をクリプトンとキセノンとに分離する分離塔に適用した場合には、図４に示すように、分離塔の起動から定常状態におけるクリプトンとキセノンとの混合物の沸点と液密度との関係を事前に調査及び測定し、その結果を予め演算部５に記憶（格納）する。なお、図３と同様に点Ｅと点Ｆを示した。
【００６８】
また、本発明を適用した液面高さの測定方法は、上記図２に示すフローチャートに必ずしも限定されるものではない。
例えば、図３に示した条件下では、脱酸塔１の塔底の液温度が１２０Ｋを超えると、物性推算により液温度変化に対する液密度の変化が小さくなる。この様な場合には、液密度を最終的な液密度、例えば図３における点Ｂの液密度或いは図４における点Ｄの液密度、と仮定しても液面指示への影響は少ない。また、図４に示す条件でも同様である。
【００６９】
そこで、本発明を適用した液面高さの測定方法は、図５に示すように、精留塔の運転条件における液温度と液密度との関係において、物性推算により液温度変化に対する液密度の変化が小さくなる条件における液温度をＴ０、最終的な液密度（脱酸塔では点Ｂ、分離塔では点Ｄにおける液密度）を設計密度ρＤとした上で、図６に示すフローチャートを適用しても良い。
【００７０】
具体的には、この液面計では、図６に示すステップＳ１に進み、脱酸塔１の塔底に溜まった流体Ｌの液ヘッド（Δｐ）を測定する。次に、図６に示すステップＳ２に進み、脱酸塔１の底部（塔底）に溜まった流体Ｌの温度（Ｔ）を測定する。
【００７１】
ここで、温度Ｔが上記Ｔ０よりも低い場合には、図６に示すステップＳ３に進み、上記ステップＳ２で測定した温度（Ｔ）から脱酸塔１の塔底に溜まった流体Ｌの液密度の推算値（ρ）を算出する。次に、図６に示すステップＳ５に進み、上記式（２）に示すように、上記液ヘッド（Δｐ）と上記液密度の推算値（ρ）とから、脱酸塔１の底部に溜まった流体Ｌの液面高さＨを算出する。
【００７２】
一方、温度Ｔが上記Ｔ０よりも高い場合には、図６に示すステップＳ４に進み、脱酸塔１の塔底に溜まった流体Ｌの液密度として上記設計密度ρＤを用いることとする。次に、図６に示すステップＳ５に進み、上記式（２）に示すように、上記液ヘッド（Δｐ）と上記設計密度ρＤとから、脱酸塔１の底部に溜まった流体Ｌの液面高さＨを算出する。
【００７３】
なお、上記図５に示す関係を複数の直線で近似しても、本発明の効果が得られる。
【００７４】
また、本発明を適用した精留塔は、酸素−クリプトン、クリプトン−キセノンの分離する精留塔を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、精留塔が、クリプトン及びキセノンの少なくとも一方を含む酸素、窒素、アルゴン、合成ガス、二酸化炭素のいずれか１つの流体又は２以上の混合流体から、前記クリプトン及び前記キセノンの少なくとも一方を低温精留によって分離或いは濃縮する精留塔であっても良い。
【００７５】
さらには、本発明では、技術的内容を明確に記述する為に、低温精留によって空気から微量成分であるクリプトン、キセノンを分離する場合を具体例としたが、本発明の効果はこの事例に特定されることはない。一般的な精留分離における精留塔の底部の液面高さを測定する液面計について効果がある。たとえば、
（１）装置の起動〜定常運転となるまでの間、或いは操業変更の前後によって精留塔底の液流体の飽和温度、密度が大きく異なる。
（２）対象成分が微量であり、製品収率の点から実際の成分分析測定は困難である。或いは、対象成分の分析自体が難しい（毒性／腐食性、高圧、高温、高粘性等）。
等の場合、特に効果が期待できる。
【００７６】
以下、具体例を示す。
（実施例）
空気液化分離装置の脱酸塔に図１に示す構成と同様の液面計を設置した。表２に示すように、脱酸塔の塔底の液流体は、起動時には液体酸素（クリプトン９０００ｐｐｍ、キセノン１０００ｐｐｍ）であり、装置起動が完了した定常運転時には、液体クリプトン（９５％、残キセノン）であった。本例では、液面計の液面高さを装置起動から常に液面を規定液面（４５％）に設定して脱酸塔を運転した場合における、真の液面を示した。
【００７７】
（比較例）
空気液化分離装置の脱酸塔に従来の液面計を設置した。表２に示すように、脱酸塔の塔底の液流体は、起動時には液体酸素（クリプトン９０００ｐｐｍ、キセノン１０００ｐｐｍ）であり、装置起動が完了した定常運転時には、液体クリプトン（９５％、残キセノン）であった。本例では、液面計の液面高さを装置起動から常に液面を規定液面（４５％）に設定して脱酸塔を運転した場合における、真の液面を示した。
【００７８】
表２に示すように、比較例では、脱酸塔の起動時に塔底の真の液面は設定液面の約２．１倍（＝２２３７／１０６３）となった。そして、脱酸塔の塔底液の酸素成分が減少してクリプトン成分が上昇するに従って、真の液面と設定値とが一致するが、長時間にわたって、実際の液面が指示値よりも大幅に高い状態が続き、適切な運転ができなかった。
【００７９】
これに対して、本願発明を採用した実施例では、表２に示すように、起動時から真の液面を把握する事が容易となり、装置運転上の安全性が確保できることが確認できた。また、製品の収率への影響がないことも確認できた。
【００８０】
【表２】
【符号の説明】
【００８１】
１・・・脱酸塔（精留塔）
１Ａ・・・棚段又は充填材
１Ｂ・・・リボイラー
１ａ・・・脱酸塔（精留塔）の下部液面より上方の気相部
１ｂ・・・脱酸塔（精留塔）の下端部
２・・・液面計
３・・・圧力計（圧力測定手段）
４・・・温度計（温度測定手段）
５・・・演算部（演算手段）
６・・・表示部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液面計及び液面高さの測定方法の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
精留分離法は、空気液化分離装置など多くの分野で用いられている。精留分離法では、原料流体を精留塔に導入し、原料流体を構成する各成分の沸点差を利用して分離する。ここで、各精留塔の底部（下部、塔底と称される場合もある）には、各精留塔内流体成分中の高沸点成分が液状で貯液されており、それらの高沸点成分の量を把握する為に液面計が設置されている。
【０００３】
ところで、クリプトン及びキセノンは大気中の微量成分であり、大気中にそれぞれ、１．１４ｐｐｍ、０．０８７ｐｐｍ含まれている。クリプトンは、ランプの封入ガス等に用いられている。一方、キセノンはキセノンランプ封入ガス、イオンエンジンの推進剤、二層断熱ガラス等に用いられている。
【０００４】
クリプトン及びキセノンは、工業的には空気の低温蒸留によって分離される。つまり、空気分離を主目的とする複式精留塔で濃縮された後、所定の分離プロセスを経て分離、精製される。クリプトン及びキセノンの沸点は酸素よりも高いため、複式精留塔の低圧塔底部の液体酸素中に濃縮される。
【０００５】
一方、原料空気に微量含まれる炭化水素の沸点は酸素よりも高いため、クリプトン及びキセノンと共に低圧塔底部の液体酸素中に濃縮される。従って、基本的にはクリプトン、キセノン及び炭化水素が濃縮された液体酸素を原料として、炭化水素が除去された後、クリプトン、キセノンが更に濃縮され、それぞれ分離精製されることとなる。
【０００６】
ところで、原料空気からクリプトン及びキセノンを分離する方法としては、特許文献１〜３が知られている。具体的に、この特許文献１には、図７に示すように、複式精留塔１０１の低圧塔底部のクリプトン及びキセノンが濃縮された液体酸素を順次、濃縮塔１０２、脱酸塔１０３、分離塔１０４から構成される空気液化分離装置１００に導入してクリプトン及びキセノンを分離するプロセスが開示されている。ここで、複式精留塔１０１の低圧塔底部の液体酸素中におけるクリプトン及びキセノンの濃度は、それぞれ４００ｐｐｍ、２０ｐｐｍ程度であるが、濃縮塔１０２でそれぞれ９０００、１０００ｐｐｍまで濃縮される。次に、この液体酸素から炭化水素が除去された後、脱酸塔１０３に導入されて、塔底にクリプトン（９０〜９５％）、キセノン（５〜１０％）が濃縮される。そして、この塔底部に溜まった液（以下、「塔底液」と称する場合がある）が分離塔１０４に導入され、塔底にキセノン、塔頂にクリプトンがそれぞれ分離される。なお、下記表１に大気圧における空気を構成する各成分の物性を示す。
【０００７】
【表１】
【０００８】
また、特許文献２及び特許文献３には、従来の液体酸素中の炭化水素の濃縮、除去が不要となるプロセスが開示されている。具体的には、特許文献２及び特許文献３には、クリプトン、キセノン及び炭化水素が濃縮された液体酸素を粗クリプトン塔に導入し、クリプトン及びキセノンを液体窒素中に濃縮すると同時に炭化水素をパージするプロセスが開示されている。そして、このプロセスによって得られた、クリプトン及びキセノンを含む液体窒素を後工程、例えば、特許文献１に記載された脱酸塔に導入することにより、その底部にクリプトン及びキセノンを濃縮することができる。
【０００９】
このように、特許文献１〜３に開示されたクリプトン及びキセノンの分離プロセスでは、液体酸素、液体窒素或いは合成ガス中にクリプトン及びキセノンを濃縮し、同伴される炭化水素を除去した後、一旦、粗クリプトン−キセノン液（クリプトン９０〜９５％、キセノン５〜１０％）が濃縮されることとなる。
【００１０】
しかしながら、この粗クリプトン−キセノン液を濃縮する際、精留塔に設けられた液面計の指示値と実際の液面の高さとの間に大きな誤差（以下、「指示誤差」と称する場合がある）が生じ、装置の安全上好ましくないという問題があった。
【００１１】
特許文献１に開示されたクリプトン及びキセノンを分離精製するプロセスでは、脱酸塔でクリプトン及びキセノンが濃縮された液体酸素から酸素分を除去するが、この脱酸塔の底部に溜まった高沸点成分流体の液面高さを測定するための液面計が設けられている。この液面計では、脱酸塔の底部に溜まった液体の底面と液面より上部の気相部との差圧（以下、単に「液ヘッド」と称する）Δｐを測定し、下記式（１）に基づいて、液面高さｈを算出する方法が一般的に用いられている。一般に、液ヘッドは、液頭や液柱とも表現されるもので、当該液体の底面における液体自身の圧力をいうが、本発明では、液ヘッドに起因する液体の底面における圧力と液面より上方の気相部の圧力との差を、単に「液ヘッド」と称する。
【００１２】
Δｐ＝ρｇｈ ・・・（１）
なお、式（１）式中、ρは対象成分の液密度、ｇは重力加速度、ｈは液面高さをそれぞれ表している。
【００１３】
このように、従来の液面計で用いられる液面高さｈの算出方法は、対象となる成分の液密度を設定し、液ヘッドΔｐを測定するという簡便な方法である。しかしながら、対象となる液体の密度が予め設定した液密度の値と大きく異なる場合には、液面計の指示値と実際の液面の高さとの間に大きな誤差が生じることとなる。
【００１４】
例えば、脱酸塔の底部に粗クリプトン−キセノン液を濃縮する場合、脱酸塔に設けられる液面計には、定常状態、つまり塔底液が粗クリプトン−キセノン（クリプトン９０〜９５％、キセノン５〜１０％）であることを前提として液密度の値が設定される。しかしながら、クリプトン−キセノン精製装置の起動時には、脱酸塔にクリプトン及びキセノンが濃縮された液体酸素が導入されるため、塔底には液体酸素が貯液されることとなる。
【００１５】
そして、液体クリプトン及び液体キセノンの密度と比較して、液体酸素の密度は小さいため、クリプトン−キセノン精製装置の起動時から塔底液の成分が定常状態となるまでの間、脱酸塔の底部に溜まった流体の実際の液面の高さに対して液面計には大きな指示誤差が生じてしまっていた。
【００１６】
したがって、クリプトン−キセノン精製装置の運転を開始し、液面計の指示値を監視していた場合に、液面計の指示値が低くても、実際の液面は精留塔の棚段（或いは充填材）に浸った状態になる、あるいは、脱酸塔への導入配管部分（例えば、図７に示す配管Ｌ１０３）よりも上となる可能性があり、装置の安全上好ましくないという問題があった。
【００１７】
また、特許文献２及び特許文献３に開示されたプロセスでは、安全上の理由から、クリプトン及びキセノンは液体窒素或いは合成ガス中に濃縮されるが、上述した特許文献１の場合と同様に、正しい液面計指示が得られない点は改善されていない。そればかりか、液体窒素の密度は液体酸素の密度よりも更に小さい為、液面計の指示値と実際の液面高さとの誤差は更に大きくなる傾向があった。
【００１８】
ところで、対象の流体の液密度が変動する場合に液面計の指示値を補正する方法として、特許文献４が開示されている。この特許文献４には、対象の流体の液密度が変化した場合であっても、その液密度を直接測定することにより液面計の指示誤差を補正して、液面の高さを制御する方法が開示されている。しかしながら、原料空気からクリプトン及びキセノンを分離製造する場合には、上記表１中にも示したように対象のクリプトン、キセノン自体が極めて少量であるため、脱酸塔の液面計指示値を補正するために当該底部の液を分析に用いること自体が製品の収率に大きく影響してしまうという問題があった。
【００１９】
例えば、国内で稼動している最大規模の空気分離装置の処理空気量は、毎時３２０，０００Ｎｍ３程度であり、その原料空気に含まれているクリプトン及びキセノンを仮に全量回収した場合であっても、それぞれの採取可能量は毎時約０．３６Ｎｍ３、約０．０３Ｎｍ３程度である。つまり、脱酸塔底液の組成を測定する場合、塔から分析装置までの配管内のパージや、実際の分析で必要なクリプトン或いはキセノンの使用量は製品量に対して相対的に大きく、長い起動時間内に頻繁に分析することは製品収率が低下する原因となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開平０７−１３９８７６号公報
【特許文献２】特公平０８−００７０２０号公報
【特許文献３】特公平０８−００７０２１号公報
【特許文献４】特開平０９−１０１８２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、精留分離法において採取対象の収率への影響がなく、精留塔の底部に溜まった流体の液密度が運転中に大きく変化する場合であっても、正しい液面高さを測定することが可能な液面計及び液面高さの測定方法、並びに精留塔及び精留塔の運転方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
かかる課題を解決するため、本発明者らが鋭意研究した結果、所定の運転圧力における精留塔内の混合成分の組成により液密度と飽和液温度とが大きく異なる点に着目した。そして、精留塔の底部に溜まった流体の液温度を測定することにより、液密度を推算し、その結果を用いて液面高さを算出することができることを見出して本発明を完成させた。
【００２３】
すなわち、本発明は、以下の構成を備える。
請求項１に記載の発明は、２以上の混合流体から１つの成分を低温精留によって分離或いは濃縮する精留塔に設けられ、前記精留塔の底部に溜まった流体の液面高さを測定するための液面計であって、
前記精留塔底部の液ヘッドを測定する圧力測定手段と、
前記精留塔の底部に溜まった流体の温度を測定する温度測定手段と、
前記液ヘッドと前記温度とから流体の液面高さを算出する演算手段と、を備えることを特徴とする液面計である。
【００２４】
請求項２に記載の発明は、前記精留塔が、クリプトン及びキセノンの少なくとも一方を含む酸素、窒素、アルゴン、合成ガス、二酸化炭素のいずれか１つの流体又は２以上の混合流体から、前記クリプトン及び前記キセノンの少なくとも一方を低温精留によって分離或いは濃縮する精留塔であることを特徴とする請求項１に記載の液面計である。
【００２５】
請求項３に記載の発明は、前記演算手段には、前記精留塔の運転圧力及び当該精留塔内の流体の組成における、前記流体の温度と液密度との関係が記憶されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の液面計である。
【００２６】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の液面計が設けられていることを特徴とする精留塔である。
【００２７】
請求項５に記載の発明は、２以上の混合流体から１つの成分を低温精留で分離或いは濃縮する精留塔において、前記精留塔の底部に溜まった流体の液面高さを測定するための方法であって、
精留塔底部の液ヘッドを測定するステップと、
精留塔の底部に溜まった流体の温度を測定するステップと、
測定された前記温度から、前記流体の液密度を計算するステップと、
前記液ヘッドと前記液密度とから、前記精留塔の底部に溜まった流体の液面高さを算出するステップと、を少なくとも備えることを特徴とする液面高さの測定方法である。
【００２８】
請求項６に記載の発明は、前記液ヘッドと前記液密度とから、前記精留塔の底部に溜まった流体の液面高さを算出するステップが、
前記精留塔の運転圧力及び当該精留塔内の流体の組成における、前記流体の温度と液密度との関係から算出することを特徴とする請求項５に記載の液面高さの測定方法である。
【００２９】
請求項７に記載の発明は、請求項４に記載の精留塔の運転方法であって、
精留塔の起動時から定常運転時まで、前記精留塔底部の液ヘッドと、前記精留塔の底部に溜まった流体の温度とを連続的又は間欠的に測定することにより、液面計の液面指示を補正することを特徴とする精留塔の運転方法である。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の液面計及び液面高さの測定方法によれば、精留分離法において精留塔の底部に溜まった流体の液密度が変化する場合であっても、流体の温度を測定して当該液体の実際の液密度を推算することができるため、製品として採取対象である成分の収率に影響することなく正しい液面高さを測定することができる。
【００３１】
本発明の精留塔及び精留塔の運転方法によれば、起動時から定常運転時の間に精留塔の底部に溜まった流体の液密度が変化する場合であっても、流体の温度を測定することにより正しい液面高さを測定することができるため、精留塔底部の液面の、より精度の高い制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明を適用した実施形態である精留塔及び液面計の一例を示す模式図である。
【図２】本発明を適用した実施形態である液面高さの測定方法の一例を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明を適用した一実施形態である脱酸塔の起動から定常状態における酸素とクリプトンとの混合物の沸点と液密度との関係の示すグラフである。
【図４】本発明を適用した一実施形態である分離塔の起動から定常状態におけるクリプトンとキセノンとの混合物の沸点と液密度との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の液面高さの測定方法の他の例を説明するための、精留塔の運転条件における液温度と液密度との関係を示すグラフである。
【図６】本発明を適用した実施形態である液面高さの測定方法の他の例を説明するためのフローチャートである。
【図７】従来の空気液化分離装置の構成を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明を適用した一実施形態である精留塔及び液面計について、液面高さの測定方法及び精留塔の運転方法とともに図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００３４】
先ず、本発明を適用した一実施形態である精留塔として、原料空気からクリプトン及びキセノンを分離する空気液化分離装置を構成する脱酸塔に適用した場合について説明する。本実施形態の脱酸塔は、図示略の濃縮塔と分離塔との間に設けられた精留塔である。（なお、空気液化分離装置の全体の構成については、図７を参照するものとする。）
【００３５】
図１に示すように、本実施形態の脱酸塔（精留塔）１の内部には、流体を精留する棚段（又は充填材）１Ａが設けられており、底部には溜まった流体Ｌを加熱するためのリボイラー１Ｂが設けられている。また、脱酸塔１の高さ方向中央部には、濃縮塔から送られてきた流体を脱酸塔１の内部に導入するための配管Ｌ３が接続されており、脱酸塔１の底部（下部、塔底と称する場合もある）には、溜まった流体Ｌを後段の分離塔に供給するための配管Ｌ４が接続されている。
【００３６】
ここで、本実施形態の脱酸塔１は、本発明を適用した一実施形態である液面計２が設けられている。本実施形態の液面計２は、脱酸塔１の底部に溜まった流体Ｌの液面高さＨを測定するために設けられている。
【００３７】
具体的に、本実施形態の液面計２は、図１に示すように、脱酸塔１の底部に溜まった流体Ｌの液ヘッド（Δｐ）を測定する圧力計（圧力測定手段）３と、上記流体Ｌの温度を測定する温度計（温度測定手段）４とを備えて概略構成されている。
【００３８】
圧力計３は、脱酸塔１の底部に溜まった流体Ｌの液ヘッド（Δｐ）を測定することができるものであれば特に限定されるものではない。ここで、流体Ｌの液ヘッド（Δｐ）とは、具体的には、脱酸塔１の下部液面より上方の気相部１ａと、脱酸塔１の下端部１ｂとの間の圧力差である。このため、圧力計３としては、差圧計を用いることができる。なお、差圧計としては、上記気相部１ａと上記下端部１ｂとの差圧を測定可能なものであれば特に限定されるものではなく、従来公知のものを使用することができる。
【００３９】
温度計４は、脱酸塔１の底部に溜まった流体Ｌの温度を測定することができるものであれば特に限定されるものではない。なお、温度計としては、例えば熱電対等の従来公知の温度計を用いることができる。
【００４０】
以上のような構造を有する脱酸塔１では、それぞれ９０００、１０００ｐｐｍ程度まで濃縮されたクリプトン及びキセノンを含む液体酸素が、前段に設けられた濃縮塔（図示略）から配管Ｌ３を介して中央部付近に導入される。
【００４１】
導入された液体酸素は、脱酸塔１の内部に設けられた棚段（又は充填材）１Ａ及びリボイラー１Ｂによってクリプトン−キセノンと分離される。そして、クリプトン−キセノンよりも低沸点である酸素が脱酸塔１の塔頂部から回収される。
【００４２】
一方、脱酸塔１の底部には、クリプトン（９０〜９５％）、キセノン（５〜１０％）が濃縮された流体Ｌが溜まる。そして、塔底に接続された配管Ｌ４から上記流体Ｌを後段の分離塔（図示せず）に供給する。
【００４３】
ところで、この脱酸塔１では、底部に溜まった流体Ｌの液面高さＨを液面計２で測定し、この液面高さＨを所定の範囲となるようにリボイラー１Ｂを制御している。リボイラー１Ｂを炊き上げることによって、底部に溜まった流体を蒸発させて脱酸塔１の精留に寄与する上昇ガスを発生させている。
【００４４】
一般に、精留塔に設けられた液面計では、塔底に溜まった流体（塔底液ともいう）の液ヘッド（Δｐ）を測定し、前述の式（１）に示すように、流体の液ヘッド（Δｐ）と流体の液密度ρとから液面高さｈを算出する方法が用いられている。
【００４５】
ここで、脱酸塔１の塔底に粗クリプトン−キセノン液を濃縮する場合、従来の脱酸塔に設けられた液面計には、この脱酸塔が定常状態（定常運転時）、つまり塔底液が粗クリプトン−キセノン（クリプトン９０〜９５％、キセノン５〜１０％）液となったときの液密度が用いられていた。
【００４６】
しかしながら、脱酸塔１の起動時にはクリプトン、キセノンが濃縮された液体酸素がこの脱酸塔１内に導入され、塔底には液体酸素が貯液されることになる。すなわち、脱酸塔１の塔底に溜まる流体Ｌは、この脱酸塔１の起動時から定常運転時までその組成が順次変化していくため、上記流体Ｌの液密度はこの組成の変化に応じて変動することとなる。
【００４７】
このため、本実施形態の液面計２は、脱酸塔１の底部に溜まる流体Ｌの液面高さＨを算出するための演算を行う演算部（演算手段）５を備えている。
【００４８】
演算部５は、例えばＰＬＣ（Programmable Logic Controller）などのプロセスコンピュータからなり、上記圧力計３及び温度計４と電気的に接続されている。そして、演算部５は、圧力計３及び温度計４から測定データが供給されると、内部に記録された演算プログラムに従って、液面高さＨの測定を行なう。なお、演算部５は、上述した測定データ及び液面高さＨの測定結果を、表示部６に表示したり、プリンタに出力したりすることもできる。
【００４９】
以下、脱酸塔１において、本発明を適用した液面計２を用いて脱酸塔１の底部に溜まった流体Ｌの液面高さＨを測定するための測定方法について、図２に示すフローチャートに従って説明する。
【００５０】
本発明を適用した液面計２では、先ず、図２に示すステップＳ１に進み、脱酸塔１の塔底に溜まった流体Ｌの液ヘッド（Δｐ）を測定する。具体的には、例えば図１に示すように、脱酸塔１の下部液面より上方の気相部１ａと、脱酸塔１の下端部１ｂとの間の差圧を圧力計３によって測定する。
【００５１】
次に、液面計２では、図２に示すステップＳ２に進み、例えば図１に示すように温度計４を用いて脱酸塔１の底部に溜まった流体Ｌの温度（Ｔ）を測定する。
【００５２】
次に、液面計２では、図２に示すステップＳ３に進み、上記ステップＳ２で測定した温度（Ｔ）から脱酸塔１の塔底に溜まった流体Ｌの液密度（ρ）を推算する。ここで、温度（Ｔ）に対する液密度（ρ）の推算値は、脱酸塔１の運転状態（運転圧力）における酸素とクリプトンとの混合物の沸点と、液密度との関係から推算する。また、上記運転状態における混合物の沸点と液密度との関係は、事前に調査及び測定した結果を予め演算部５に記憶（格納）しておく。
【００５３】
脱酸塔１の起動から定常状態における酸素とクリプトンとの混合物の沸点と液密度との関係の一例を図３に示す。図３に示すように、液体酸素（点Ａ）と液体クリプトン（点Ｂ）との沸点差は約３０℃、液密度は約２倍程度異なっている。
【００５４】
すなわち、脱酸塔１の起動時は、図３中の点Ａに示すように、脱酸塔１の塔底に溜まる流体（塔底液ともいう）が液体酸素であり、その液密度は約１０６０ｋｇ／ｍ３である。その後、脱酸塔１内での精留により塔底液のクリプトン−キセノンの濃度が多くなる。そして、脱酸塔の起動が完了し装置が整定する（すなわち、定常運転となる）と、図３中の点Ｂに示すように、塔底液はクリプトン９０〜９５％、キセノン５〜１０％となる。このように、上記点Ａと点Ｂとを結ぶ曲線より、温度（Ｔ）から液密度（ρ）を推算することができる。
ここで、図３中の点Ｅと点Ｆは、空気分離装置／複式精留塔の低圧塔における起動時（液体空気）から定常状態（液体酸素）に至る液温度と液密度の関係を示したが、液密度の差は１．１倍程度であるので低圧塔の液面指示に及ぼす影響は少ない。
【００５５】
なお、脱酸塔１の底部に溜まった流体Ｌには、実際は、酸素−クリプトン−キセノンとの三成分が含まれている。しかし、脱酸塔１の塔底液のキセノン組成は５〜１０％程度であり、上記塔底液を、酸素とクリプトンとの二成分系としても、最終的な液面指示に及ぼす影響は少ない。
【００５６】
次に、液面計２では、図２に示すステップＳ４に進み、上記液ヘッド（Δｐ）と上記液密度の推算値（ρ）とから、脱酸塔１の底部に溜まった流体Ｌの液面高さＨを算出する。
【００５７】
ここで、液面高さＨは、下記式（２）により算出することができる。
Ｈ＝（Δｐ）／（ρｇ） ・・・（２）
【００５８】
以上のようにして、本発明を適用した液面計２を用いて脱酸塔１の底部に溜まった流体Ｌの液面高さＨを測定することができる。
【００５９】
ところで、脱酸塔等の精留塔に設けられる従来の液面計によれば、上記液ヘッド（Δｐ）、すなわち、精留塔の塔底に溜まった液体の液面より上方の気相部と、精留塔の下端部との間の差圧を測定する圧力計と、この圧力計の測定値と予め入力されている定常運転時の液密度とから液面高さを算出するための演算部とを備えた構成となっていた。
【００６０】
しかしながら、上述したように精留塔の起動時から定常運転時までに塔底に溜まる流体の成分は定常運転時に想定される流体の成分と異なるため、演算部に予め入力されて液密度（入力値）と、実際の液密度（実測値）とは乖離していた。このため、従来の液面計では、精留塔の運転を開始してから定常運転状態となるまでの間は、精留塔の塔底に溜まっている流体の液面高さを正確に測定することができなかった。
【００６１】
これに対して本実施形態の液面計２によれば、脱酸塔１の塔底に溜まった流体Ｌの温度を測定する温度計４を備え、演算部５には脱酸塔１の運転状態（運転圧力）における酸素とクリプトンとの混合物の沸点と、液密度との関係が記憶された構成となっている。このため、流体Ｌの温度を温度計４によって測定し、測定値を演算部５に入力することにより、流体Ｌの一部をサンプリングして実際に液密度を実測することなく、液密度を推算することができる。したがって、圧力計３の測定値と上記液密度の推算値とから液面高さＨを測定することができる。
【００６２】
このように、本実施形態の液面計２によれば、温度計４という簡単な構成を追加し、流体の温度を測定することにより、脱酸塔１の運転を開始してから定常運転状態となるまでの間であっても、この脱酸塔１の底部に溜まっている流体Ｌの液面高さＨを正確に測定することができる。
【００６３】
次に、上記液面計２を備えた本実施形態の脱酸塔１の運転方法について説明する。
具体的に、本実施形態の脱酸塔１の運転方法は、当該脱酸塔１の起動時から定常運転時まで、上述したように液面計２を用いて脱酸塔１の底部（塔底）に溜まった流体Ｌの液面高さＨを所定の間隔で、すなわち、連続的又は間欠的に測定する。そして、得られた液面高さＨの値に基づき、脱酸塔１内の液面高さＨが所定の範囲となるように制御する。なお、液面高さＨの制御は、脱酸塔１に設けた図示略の制御部に液面計２の演算部５からの測定結果を供給し、リボイラー１Ｂの出力を制御すること等により行なうことができる。
【００６４】
以上説明したように、本実施形態の液面計２及び液面高さＨの測定方法によれば、脱酸塔１の底部に溜まった流体Ｌの液密度が変化する場合であっても、流体Ｌの温度を温度計４で測定することにより、サンプリングして実測することなく当該液体の実際の液密度を推算することができる。このため、製品として採取対象であるクリプトン及びキセノンの収率に影響することなく正しい液面高さＨを測定することができる。
【００６５】
本実施形態の脱酸塔１及びその運転方法によれば、起動時から定常運転時の間に当該脱酸塔１の底部に溜まった流体Ｌの組成（すなわち液密度）が変化する場合であっても、流体Ｌの温度を液面計２の温度計４で測定することにより正しい液面高さＨを測定することができる。このため、脱酸塔１の底部の液面高さＨをより高精度に制御することができる。
【００６６】
なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、本発明を適用した精留塔は、上記図１に示す脱酸塔１に必ずしも限定されるものではなく、例えば図７に示す分離塔などであってもよい。この場合も、液体クリプトン、液体キセノンの密度、飽和温度は大きく異なるので、本発明を採用することは有効である。
【００６７】
本発明を適用した精留塔として、粗クリプトン−キセノン液（クリプトン９０〜９５％、残部キセノン）をクリプトンとキセノンとに分離する分離塔に適用した場合には、図４に示すように、分離塔の起動から定常状態におけるクリプトンとキセノンとの混合物の沸点と液密度との関係を事前に調査及び測定し、その結果を予め演算部５に記憶（格納）する。なお、図３と同様に点Ｅと点Ｆを示した。
【００６８】
また、本発明を適用した液面高さの測定方法は、上記図２に示すフローチャートに必ずしも限定されるものではない。
例えば、図３に示した条件下では、脱酸塔１の塔底の液温度が１２０Ｋを超えると、物性推算により液温度変化に対する液密度の変化が小さくなる。この様な場合には、液密度を最終的な液密度、例えば図３における点Ｂの液密度或いは図４における点Ｄの液密度、と仮定しても液面指示への影響は少ない。また、図４に示す条件でも同様である。
【００６９】
そこで、本発明を適用した液面高さの測定方法は、図５に示すように、精留塔の運転条件における液温度と液密度との関係において、物性推算により液温度変化に対する液密度の変化が小さくなる条件における液温度をＴ０、最終的な液密度（脱酸塔では点Ｂ、分離塔では点Ｄにおける液密度）を設計密度ρＤとした上で、図６に示すフローチャートを適用しても良い。
【００７０】
具体的には、この液面計では、図６に示すステップＳ１に進み、脱酸塔１の塔底に溜まった流体Ｌの液ヘッド（Δｐ）を測定する。次に、図６に示すステップＳ２に進み、脱酸塔１の底部（塔底）に溜まった流体Ｌの温度（Ｔ）を測定する。
【００７１】
ここで、温度Ｔが上記Ｔ０よりも低い場合には、図６に示すステップＳ３に進み、上記ステップＳ２で測定した温度（Ｔ）から脱酸塔１の塔底に溜まった流体Ｌの液密度の推算値（ρ）を算出する。次に、図６に示すステップＳ５に進み、上記式（２）に示すように、上記液ヘッド（Δｐ）と上記液密度の推算値（ρ）とから、脱酸塔１の底部に溜まった流体Ｌの液面高さＨを算出する。
【００７２】
一方、温度Ｔが上記Ｔ０よりも高い場合には、図６に示すステップＳ４に進み、脱酸塔１の塔底に溜まった流体Ｌの液密度として上記設計密度ρＤを用いることとする。次に、図６に示すステップＳ５に進み、上記式（２）に示すように、上記液ヘッド（Δｐ）と上記設計密度ρＤとから、脱酸塔１の底部に溜まった流体Ｌの液面高さＨを算出する。
【００７３】
なお、上記図５に示す関係を複数の直線で近似しても、本発明の効果が得られる。
【００７４】
また、本発明を適用した精留塔は、酸素−クリプトン、クリプトン−キセノンの分離する精留塔を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、精留塔が、クリプトン及びキセノンの少なくとも一方を含む酸素、窒素、アルゴン、合成ガス、二酸化炭素のいずれか１つの流体又は２以上の混合流体から、前記クリプトン及び前記キセノンの少なくとも一方を低温精留によって分離或いは濃縮する精留塔であっても良い。
【００７５】
さらには、本発明では、技術的内容を明確に記述する為に、低温精留によって空気から微量成分であるクリプトン、キセノンを分離する場合を具体例としたが、本発明の効果はこの事例に特定されることはない。一般的な精留分離における精留塔の底部の液面高さを測定する液面計について効果がある。たとえば、
（１）装置の起動〜定常運転となるまでの間、或いは操業変更の前後によって精留塔底の液流体の飽和温度、密度が大きく異なる。
（２）対象成分が微量であり、製品収率の点から実際の成分分析測定は困難である。或いは、対象成分の分析自体が難しい（毒性／腐食性、高圧、高温、高粘性等）。
等の場合、特に効果が期待できる。
【００７６】
以下、具体例を示す。
（実施例）
空気液化分離装置の脱酸塔に図１に示す構成と同様の液面計を設置した。表２に示すように、脱酸塔の塔底の液流体は、起動時には液体酸素（クリプトン９０００ｐｐｍ、キセノン１０００ｐｐｍ）であり、装置起動が完了した定常運転時には、液体クリプトン（９５％、残キセノン）であった。本例では、液面計の液面高さを装置起動から常に液面を規定液面（４５％）に設定して脱酸塔を運転した場合における、真の液面を示した。
【００７７】
（比較例）
空気液化分離装置の脱酸塔に従来の液面計を設置した。表２に示すように、脱酸塔の塔底の液流体は、起動時には液体酸素（クリプトン９０００ｐｐｍ、キセノン１０００ｐｐｍ）であり、装置起動が完了した定常運転時には、液体クリプトン（９５％、残キセノン）であった。本例では、液面計の液面高さを装置起動から常に液面を規定液面（４５％）に設定して脱酸塔を運転した場合における、真の液面を示した。
【００７８】
表２に示すように、比較例では、脱酸塔の起動時に塔底の真の液面は設定液面の約２．１倍（＝２２３７／１０６３）となった。そして、脱酸塔の塔底液の酸素成分が減少してクリプトン成分が上昇するに従って、真の液面と設定値とが一致するが、長時間にわたって、実際の液面が指示値よりも大幅に高い状態が続き、適切な運転ができなかった。
【００７９】
これに対して、本願発明を採用した実施例では、表２に示すように、起動時から真の液面を把握する事が容易となり、装置運転上の安全性が確保できることが確認できた。また、製品の収率への影響がないことも確認できた。
【００８０】
【表２】
【符号の説明】
【００８１】
１・・・脱酸塔（精留塔）
１Ａ・・・棚段又は充填材
１Ｂ・・・リボイラー
１ａ・・・脱酸塔（精留塔）の下部液面より上方の気相部
１ｂ・・・脱酸塔（精留塔）の下端部
２・・・液面計
３・・・圧力計（圧力測定手段）
４・・・温度計（温度測定手段）
５・・・演算部（演算手段）
６・・・表示部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２以上の混合流体から１つの成分を低温精留によって分離或いは濃縮する精留塔に設けられ、前記精留塔の底部に溜まった流体の液面高さを測定するための液面計であって、
前記精留塔底部の液ヘッドを測定する圧力測定手段と、
前記精留塔の底部に溜まった流体の温度を測定する温度測定手段と、
前記液ヘッドと前記温度とから流体の液面高さを算出する演算手段と、を備えることを特徴とする液面計。
【請求項２】
前記精留塔が、クリプトン及びキセノンの少なくとも一方を含む酸素、窒素、アルゴン、合成ガス、二酸化炭素のいずれか１つの流体又は２以上の混合流体から、前記クリプトン及び前記キセノンの少なくとも一方を低温精留によって分離或いは濃縮する精留塔であることを特徴とする請求項１に記載の液面計。
【請求項３】
前記演算手段には、前記精留塔の運転圧力及び当該精留塔内の流体の組成における、前記流体の温度と液密度との関係が記憶されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の液面計。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の液面計が設けられていることを特徴とする精留塔。
【請求項５】
２以上の混合流体から１つの成分を低温精留で分離或いは濃縮する精留塔において、前記精留塔の底部に溜まった流体の液面高さを測定するための方法であって、
精留塔底部の液ヘッドを測定するステップと、
精留塔の底部に溜まった流体の温度を測定するステップと、
測定された前記温度から、前記流体の液密度を計算するステップと、
前記液ヘッドと前記液密度とから、前記精留塔の底部に溜まった流体の液面高さを算出するステップと、を少なくとも備えることを特徴とする液面高さの測定方法。
【請求項６】
前記液ヘッドと前記液密度とから、前記精留塔の底部に溜まった流体の液面高さを算出するステップが、
前記精留塔の運転圧力及び当該精留塔内の流体の組成における、前記流体の温度と液密度との関係から算出することを特徴とする請求項５に記載の液面高さの測定方法。
【請求項７】
請求項４に記載の精留塔の運転方法であって、
精留塔の起動時から定常運転時まで、前記精留塔底部の液ヘッドと、前記精留塔の底部に溜まった流体の温度とを連続的又は間欠的に測定することにより、液面計の液面指示を補正することを特徴とする精留塔の運転方法。
【請求項１】
２以上の混合流体から１つの成分を低温精留によって分離或いは濃縮する精留塔に設けられ、前記精留塔の底部に溜まった流体の液面高さを測定するための液面計であって、
前記精留塔底部の液ヘッドを測定する圧力測定手段と、
前記精留塔の底部に溜まった流体の温度を測定する温度測定手段と、
前記液ヘッドと前記温度とから流体の液面高さを算出する演算手段と、を備えることを特徴とする液面計。
【請求項２】
前記精留塔が、クリプトン及びキセノンの少なくとも一方を含む酸素、窒素、アルゴン、合成ガス、二酸化炭素のいずれか１つの流体又は２以上の混合流体から、前記クリプトン及び前記キセノンの少なくとも一方を低温精留によって分離或いは濃縮する精留塔であることを特徴とする請求項１に記載の液面計。
【請求項３】
前記演算手段には、前記精留塔の運転圧力及び当該精留塔内の流体の組成における、前記流体の温度と液密度との関係が記憶されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の液面計。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の液面計が設けられていることを特徴とする精留塔。
【請求項５】
２以上の混合流体から１つの成分を低温精留で分離或いは濃縮する精留塔において、前記精留塔の底部に溜まった流体の液面高さを測定するための方法であって、
精留塔底部の液ヘッドを測定するステップと、
精留塔の底部に溜まった流体の温度を測定するステップと、
測定された前記温度から、前記流体の液密度を計算するステップと、
前記液ヘッドと前記液密度とから、前記精留塔の底部に溜まった流体の液面高さを算出するステップと、を少なくとも備えることを特徴とする液面高さの測定方法。
【請求項６】
前記液ヘッドと前記液密度とから、前記精留塔の底部に溜まった流体の液面高さを算出するステップが、
前記精留塔の運転圧力及び当該精留塔内の流体の組成における、前記流体の温度と液密度との関係から算出することを特徴とする請求項５に記載の液面高さの測定方法。
【請求項７】
請求項４に記載の精留塔の運転方法であって、
精留塔の起動時から定常運転時まで、前記精留塔底部の液ヘッドと、前記精留塔の底部に溜まった流体の温度とを連続的又は間欠的に測定することにより、液面計の液面指示を補正することを特徴とする精留塔の運転方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−７９９０（Ｐ２０１２−７９９０Ａ）
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４３７７９（Ｐ２０１０−１４３７７９）
【出願日】平成２２年６月２４日（２０１０．６．２４）
【出願人】（０００２３１２３５）大陽日酸株式会社 (642)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２４日（２０１０．６．２４）
【出願人】（０００２３１２３５）大陽日酸株式会社 (642)
【Ｆターム（参考）】
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