(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮，精製，冷却した原料空気を精留塔に導入するとともに、系外から寒冷供給用の液化窒素を導入して精留分離を行い、製品として窒素ガスを製造する窒素ガス製造方法において、前記精留塔の上部に分離した窒素ガスと、塔下部に分離した酸素富化液化空気とを熱交換させて前記窒素ガスを液化し、前記酸素富化液化空気を気化する凝縮器としてドライ形式の凝縮器を用い、該ドライ形式の凝縮器に導入する前記酸素富化液化空気の流量を流量指示調節計にて調節し、液面指示調節計で測定した前記精留塔下部の酸素富化液化空気の液面高さに応じて前記系外から導入する液化窒素の導入量を調節し、圧力指示調節計で測定した前記原料空気の導入圧力に応じて原料空気圧縮機の容量調節機構を調節するとともに、前記とは別の流量指示調節計で測定した製品窒素ガスの流量に応じて製品窒素ガス流量を調節し、前記ドライ形式の凝縮器における蒸発圧力を前記とは別の圧力指示調節計で一定に保つことを特徴とする窒素ガス製造方法。
【請求項２】
圧縮，精製，冷却した原料空気を精留塔に導入するとともに、系外から寒冷供給用の液化窒素を導入して精留分離を行い、製品として窒素ガスを製造する窒素ガス製造方法において、前記精留塔の上部に分離した窒素ガスと、塔下部に分離した酸素富化液化空気とを熱交換させて前記窒素ガスを液化し、前記酸素富化液化空気を気化する凝縮器としてドライ形式の凝縮器を用い、該ドライ形式の凝縮器に導入する前記酸素富化液化空気の流量を流量指示調節計にて調節し、液面指示調節計で測定した前記精留塔下部の酸素富化液化空気の液面高さに応じて前記系外から導入する液化窒素の導入量を調節し、圧力指示調節計で測定した前記原料空気の導入圧力に応じて原料空気圧縮機の容量調節機構を調節するとともに、前記とは別の圧力指示調節計で測定した前記精留塔の運転圧力に応じて製品窒素ガスの流量を調節し、前記ドライ形式の凝縮器における蒸発圧力を前記２つの圧力指示調節計とは別の圧力指示調節計で一定に保つことを特徴とする窒素ガス製造方法。
【請求項３】
前記ドライ形式の凝縮器は、凝縮器として機能する部分と、原料空気等の温流体通路を有する、主熱交換器の一部として機能する部分とを一体化した構造の凝縮器である請求項１又は２記載の窒素ガス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気液化分離法による窒素ガス製造方法に関し、詳しくは、圧縮，精製，冷却した原料空気を精留塔に導入するとともに、系外から液化窒素を導入して精留分離を行う空気液化分離法により、製品として窒素ガスを製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
図４は、空気液化分離法による従来の窒素ガスの製造プロセスの一例を示すものである。原料空気圧縮機１で圧縮された原料空気は、冷却器２で大気や冷却水，フロン等により吸着に必要な温度まで冷却された後、炭酸ガスや水分等の不純物を吸着除去する吸着器３に入り、不純物を除去されて精製され、次いで主熱交換器４に入り、戻りガスと熱交換を行って略液化温度まで冷却される。冷却された原料空気は、精留塔５の下部に導入され、精留塔５における精留操作によって上部に窒素が分離する。この窒素ガスは、その一部が管７に抜き出され、前記主熱交換器４を通って常温となり取り出される。また、精留操作により精留塔５の下部に分離した酸素富化液化空気は、管８に抜き出されて弁９で減圧されてから凝縮器６に導入され、精留塔５の上部から凝縮器６に導入される窒素ガスと熱交換する。この凝縮器６で気化した液化空気（酸素富化空気）は、廃ガスとして管１０により前記主熱交換器４に導かれ、原料空気との熱交換により常温となって抜き出される。
【０００３】
この図４に示す例のように、単一の精留塔に原料空気を導入して窒素ガスを抜き出す精留分離を「単精留方式」という。ちなみに、空気液化分離装置で酸素を製造する場合は、一般に下部塔と上部塔とからなる「複精留方式」が採用されている。
【０００４】
一般に、精留塔５の上部に設けられる前記凝縮器６は、図４や図５に例示するように、液溜まり６ａの中に熱交換コア６ｂや伝熱管６ｃを配置した型式（浸浸型という）が用いられている。また、図６に示す凝縮器６も、気化側流体の液面が外設の液溜６ｄに生じており、熱交換コア６ｅの位置に対しての液溜６ｄの液面高さを規定の範囲で保つことで熱交換を行わせており、原理的には浸浸型である。
【０００５】
また、図４に示すように、精留塔５等の低温での操作を維持するために、侵入熱等に対応して必要となる冷熱を液化窒素貯槽１１から液化窒素で供給するにあたり、浸浸型の凝縮器６の液面高さを導入液化窒素量の調節によって制御すること（図４乃至図６のＬＩＣ−１及び弁１２）が知られている（特開平８−２１０７７０号公報、特公昭６１−１９９０２号公報、特公昭６１−４６７４７号公報等参照）。さらに、浸浸型の凝縮器６を設けた窒素製造装置で、精留塔５の下部の液面高さを導入窒素量を調節して制御し、浸浸型の凝縮器の液面高さを液化空気の導入量を調節して制御する例も知られている（特開平８−２６１６４４号公報参照）。
【０００６】
しかし、図４に例示した制御システムのように、浸浸型の凝縮器６は、伝熱面が液に触れるように液面高さを規定の範囲に保つ必要があることから、交換熱量の調節が難しく、減量時等において、凝縮側、即ち製品窒素ガスの圧力（ＰＩＣ−２）を一定に保つために、凝縮器６での気化側の圧力を変えたり（ＰＩＣ−４及び弁１３）、液面高さを変えたり（図示せず）する必要があった。
【０００７】
さらに、精留塔５の下部からの酸素富化液化空気中に含まれる高沸点不純物である炭化水素類が液化空気の気化により液中に濃縮する危険性があるため、凝縮器６から液の一部を抜き出して濃縮防止を行うなどの対応も行われている（前記特開平８−２６１６４４号公報参照）。
【０００８】
一方、近年は、主に小型の窒素ガス製造装置において、浸浸型の凝縮器の構成と制御の複雑さとを避けることや、冷熱を外部からの液化窒素等で供給するなど、設備及び運転の単純化が要請されている。
【０００９】
そこで本発明は、窒素ガス製造装置の設備構成及び制御の単純化を図り、経済的に、安全にかつ安定して窒素ガスを製造することができる窒素ガス製造方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１の窒素ガス製造方法は、圧縮，精製，冷却した原料空気を精留塔に導入するとともに、系外から寒冷供給用の液化窒素を導入して精留分離を行い、製品として窒素ガスを製造する窒素ガス製造方法において、前記精留塔の上部に分離した窒素ガスと、塔下部に分離した酸素富化液化空気とを熱交換させて前記窒素ガスを液化し、前記酸素富化液化空気を気化する凝縮器としてドライ形式の凝縮器を用い、該ドライ形式の凝縮器に導入する前記酸素富化液化空気の流量を流量指示調節計にて調節し、液面指示調節計で測定した前記精留塔下部の酸素富化液化空気の液面高さに応じて前記系外から導入する液化窒素の導入量を調節し、圧力指示調節計で測定した前記原料空気の導入圧力に応じて原料空気圧縮機の容量調節機構を調節するとともに、前記とは別の流量指示調節計で測定した製品窒素ガスの流量に応じて製品窒素ガス流量を調節し、前記ドライ形式の凝縮器における蒸発圧力を前記とは別の圧力指示調節計で一定に保つことを特徴としている。
【００１１】
さらに、本の第２の窒素ガス製造方法発明は、圧縮，精製，冷却した原料空気を精留塔に導入するとともに、系外から寒冷供給用の液化窒素を導入して精留分離を行い、製品として窒素ガスを製造する窒素ガス製造方法において、前記精留塔の上部に分離した窒素ガスと、塔下部に分離した酸素富化液化空気とを熱交換させて前記窒素ガスを液化し、前記酸素富化液化空気を気化する凝縮器としてドライ形式の凝縮器を用い、該ドライ形式の凝縮器に導入する前記酸素富化液化空気の流量を流量指示調節計にて調節し、液面指示調節計で測定した前記精留塔下部の酸素富化液化空気の液面高さに応じて前記系外から導入する液化窒素の導入量を調節し、圧力指示調節計で測定した前記原料空気の導入圧力に応じて原料空気圧縮機の容量調節機構を調節するとともに、前記とは別の圧力指示調節計で測定した前記精留塔の運転圧力に応じて製品窒素ガスの流量を調節し、前記ドライ形式の凝縮器における蒸発圧力を前記２つの圧力指示調節計とは別の圧力指示調節計で一定に保つことを特徴としている。
【００１２】
上記２つの発明で使用する前記ドライ形式の凝縮器は、従来の浸浸型の凝縮器とは異なり、一過性で液化空気を蒸発する型式の凝縮器であって、凝縮器コアに入った液は、全量気化されてコアを出るので、コア外部に制御すべき液面を生じない特徴がある。また、ドライ形式の凝縮器としては、凝縮器として機能する部分と、原料空気等の温流体通路を有する、主熱交換器の一部として機能する部分とを一体化した構造の凝縮器を用いることができる。さらに、原料空気の圧力を制御する原料空気圧縮機の容量調節機構としては、原料空気圧縮機の吸入ガイドベーンや吸入弁、スライドベーン、バイパス弁等と中間段や吐出口に設けられる放出弁とが知られており、本発明では、これらのいずれの機構を採用してもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る窒素ガス製造方法の参考例を示すものである。なお、以下の説明において、前記図４に示した従来例装置における構成要素と同一の構成要素にはそれぞれ同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。また、説明上、装置の標準運転状態は、原料空気量が２５０Ｎｍ3 ／ｈ、製品窒素ガス量が１００Ｎｍ3 ／ｈとなっており、原料空気圧縮圧力が７．０ｋｇ／ｃｍ2 Ｇ、精留塔下部の酸素富化液化空気液面が液面計のフルスケールの５０％に、それぞれ設定調節されているものとする。
【００１４】
まず、原料空気圧縮機１で７．０ｋｇ／ｃｍ2 Ｇに圧縮された原料空気２５０Ｎｍ3 ／ｈは、冷却器２で大気や冷却水，フロン等により吸着器３の吸着運転温度に冷却された後、吸着工程と再生工程とに切換え使用される一対の吸着器３の吸着工程中の一方の吸着器に導入される。この吸着器３で炭酸ガスや水分等の不純物が吸着除去されて精製された原料空気は、主熱交換器４に導入され、戻りガスと熱交換を行って略液化温度まで冷却される。冷却された原料空気は、管２１から精留塔５の下部に導入され、該精留塔５における精留操作によって塔上部に窒素ガスが、塔下部に酸素富化液化空気が、それぞれ分離する。
【００１５】
精留塔５の上部の窒素ガスの一部１００Ｎｍ3 ／ｈは、管７に抜き出され、前記主熱交換器４を通って常温となった後、圧力計ＰＩ−２を有する管２２を通り、流量が１００Ｎｍ3 ／ｈに設定されている流量指示調節計ＦＩＣ−１で開度調節される製品窒素ガス流量調節弁２３を通って需要先に供給される。また、残りの窒素ガスは、管２４を通ってドライ形式の凝縮器（以下、ドライ型凝縮器という）２５に導入され、凝縮液化した後、精留塔５の上部に戻されて還流液となる。
【００１６】
一方、精留塔５の下部の酸素富化液化空気は、管８に抜き出され、手動式設定器ＨＣで一定開度に保持されている弁９で減圧されてドライ型凝縮器２５の蒸発流路に流入し、その全量が気化して酸素富化空気（廃ガス）となり、管１０から主熱交換器４に導入され、常温となって排出される。この廃ガスの一部は、管２６に分岐して前記吸着器３の再生用ガスとして用いられ、廃ガス出口の管２７には、廃ガス経路、即ちドライ型凝縮器２５における蒸発圧力を一定に保つための圧力指示調節計ＰＩＣ−５と弁２８とが設けられている。
【００１７】
また、系外の液化窒素貯槽１１からは、精留塔５等の低温での操作を維持するための寒冷供給用として、液化窒素が管２９から精留塔５の上部に導入されている。この液化窒素の導入量の調節は、精留塔５の下部の酸素富化液化空気の液面を検出する液面指示調節計ＬＩＣ−１が、液面が設定値の５０％になるように液化窒素供給弁３０の開度を調節することにより行われている。
【００１８】
ここで、製品窒素ガスの需要先での使用量が減少して例えば５０Ｎｍ3 ／ｈになると、流量指示調節計ＦＩＣ−１の指示値が５０Ｎｍ3 ／ｈとなり、製品窒素ガス流量調節弁２３は全開となる。また、精留塔５からの製品窒素ガスの抜き出し量が減少するため、精留塔５内の圧力が上昇し、これに伴って原料空気の圧力が上昇するので、原料空気圧縮機１の容量調節機構である圧力指示調節計ＰＩＣ−１が作動して放出弁３１を開き、圧縮原料空気の一部を放出して原料空気供給圧力を所定の７．０ｋｇ／ｃｍ2 Ｇに保つようにする。この放出弁３１からの原料空気の放出で原料空気供給量が減少することによって低温部の熱バランスが崩れ、精留塔５の下部液面に変化が生じると、これを修正するように液面指示調節計ＬＩＣ−１が作動して液化窒素供給弁３０を開閉し、酸素富化液化空気の液面が所定の５０％になるようにする。さらに、精留塔５に入る空気が減少し、窒素ガスの採取率が変化することによって酸素富化液化空気の酸素濃度が３５％から２８％に変化し、これに伴って酸素富化液化空気の沸点も低くなる。
【００１９】
このとき、従来の浸浸型の凝縮器では、酸素濃度変化による沸点の変化で凝縮器での窒素ガスに対する温度差が大きくなるため、溜まっている液化空気の気化量が増加し、凝縮器液面が低下して窒素ガスの凝縮量が増加し、結果的に精留塔下部液面が上昇する不都合が生じるが、ドライ型凝縮器２５では、導入された液化富化液化空気が全量気化し、昇温すればそれ以上の冷却能力は無いため、窒素ガスの凝縮量がほとんど増加することはなく、精留塔下部液面も安定している。
【００２０】
この状態で製品窒素ガスの需要が１００Ｎｍ3 ／ｈに戻ると、精留塔５の圧力、即ち原料空気圧力が下がり傾向となるため、圧力指示調節計ＰＩＣ−１が放出弁３１からの放出量を減らすように作動して系内の圧力を保つようにする。
【００２１】
さらに、製品窒素ガスの需要が増大して装置の製造能力である１００Ｎｍ3 ／ｈを超えて、例えば１２０Ｎｍ3 ／ｈになると、流量指示調節計ＦＩＣ−１が１００Ｎｍ3 ／ｈ超過を検知して製品窒素ガス流量調節弁２３を絞り、窒素ガス製造量が１００Ｎｍ3 ／ｈになるように制御する。本形態例では、不足の２０Ｎｍ3 ／ｈは、液化窒素貯槽１１から蒸発器３２を通して圧力指示調節計ＰＩＣ−３及び弁３３により自動的に補充される。また、精留塔５の下部液面の変動も、前記同様に液面指示調節計ＬＩＣ−１による液化窒素供給弁３０の調節によって制御される。
【００２２】
このように、凝縮器にドライ型凝縮器２５を採用することにより、制御の難しさを解消することができ、精留塔５の下部にだけ生じる制御すべき液面は、外部からの液化窒素の導入量を調節して制御すればよいことから、従来に比べて制御が容易となる。また、製品需要量の変化に対して製品収率が変化し、酸素富化液化空気中の酸素濃度が変化しても安定して運転でき、圧力指示調節計ＰＩＣ−１と流量指示調節計ＦＩＣ−１の制御だけで製品窒素ガスの製造を制御することができ、製品の品質を保持できる。さらに、浸浸型の凝縮器で生じる炭化水素等の濃縮による危険性を避けることができ、濃縮防止のための液抜きも不必要となる。
【００２３】
図２は、本発明の窒素ガス製造法の一形態例を示すもので、参考例における精留塔５の下部から酸素富化液化空気を抜き出す管８に設けた弁９を、該弁９の１次側に設けた流量指示調節計ＦＩＣ−２で流量制御するようにしたものである。また、製品窒素ガスを供給する管２２に、圧力計ＰＩ−２に代えて流量計ＦＩ−１を設けるとともに、流量指示調節計ＦＩＣ−１に代えて圧力指示調節計ＰＩＣ−２で製品窒素ガス流量調節弁２３を制御するように形成したものである。
【００２４】
前記圧力指示調節計ＰＩＣ−２は、圧力指示調節計ＰＩＣ−１に比べて、原料空気から窒素ガスに至る流路の規定運転における圧力損失分だけ低い圧力、例えば６．８ｋｇ／ｃｍ2 Ｇに設定されている。ここで製品量が５０Ｎｍ3 ／ｈに減ると、圧力指示調節計ＰＩＣ−２の圧力指示は上昇し、製品窒素ガス流量調節弁２３は全開となる。また、前記同様に、原料空気の圧力も上昇するので、圧力指示調節計ＰＩＣ−１が作動して原料空気の一部を放出弁３１から放出する。需要が戻ったときの作動は略前記形態例と同じである。
【００２５】
一方、製造能力を超えて、例えば１２０Ｎｍ3 ／ｈの需要になると、精留塔５の圧力が低下傾向となるので、圧力指示調節計ＰＩＣ−２がこれを察知して製品窒素ガス流量調節弁２３を絞り、精留塔５の圧力を保つようにする。この結果、製品製造量は規定の１００Ｎｍ3 ／ｈになってバランスする。
【００２６】
なお、精留塔５の下部の液面指示調節計ＬＩＣ−１は、前記同様に作動して液面を保ち、圧力指示調節計ＰＩＣ−３も同様にして製品窒素ガスの不足分を自動的に補うようにする。他の部分は、前記図１と同じであるから、主要部に同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００２７】
前記参考例及び形態例に示すように、精留塔５の下部液面を液面指示調節計ＬＩＣ−１で制御すること、原料空気の圧力を圧力指示調節計ＰＩＣ−１で制御することを前提とすれば、酸素富化液化空気が通る弁９は、手動式設定器ＨＣ又は流量指示調節計ＦＩＣ−２のいずれで流量制御するようにしてもよい。さらに、この弁９の制御とは無関係に、製品窒素ガスの流量制御は、流量指示調節計ＦＩＣ−１又は圧力指示調節計ＰＩＣ−２のいずれを採用してもよい。すなわち、これらの任意の組合わせを採用することができる。
【００２８】
また、図３に示すように、ドライ型凝縮器２５としては、凝縮器として機能する部分２５ａと、原料空気等の温流体通路２５ｂを有し、主熱交換器の一部として機能する部分２５ｃとを一体化した構造の凝縮器も使用することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の窒素ガス製造方法によれば、ドライ型凝縮器を採用することで制御の難しさを解消し、精留塔下部にだけ生ずる制御すべき液面を外部よりの液化窒素の導入量を調節して制御すればよいことから、制御が容易となる。また、製品需要量の変化に対して製品収率が変化し、酸素富化液化空気中の酸素濃度が変化しても安定して運転でき、圧力指示調節計と流量指示調節計（あるいは圧力指示調節計）との制御だけで製品窒素の製造を制御し、製品の品質を保持できる。さらに、浸浸型の凝縮器で生じる炭化水素等の濃縮による危険性を避けることができ、濃縮防止のための液抜きも必要としない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る窒素ガス製造方法の参考例を示す系統図である。
【図２】  本発明の窒素ガス製造方法を適用した窒素ガスの製造プロセスの一形態例を示す系統図である。
【図３】  ドライ型凝縮器の他の形状例を示す要部の系統図である。
【図４】  従来の窒素ガスの製造プロセスの一例を示す系統図である。
【図５】  浸浸型の凝縮器の他の形状例を示す要部の系統図である。
【図６】  浸浸型の凝縮器のさらに他の形状例を示す要部の系統図である。
【符号の説明】
１…原料空気圧縮、２…冷却器、３…吸着器、４…主熱交換器、５…精留塔、１１…液化窒素貯槽、２３…製品窒素ガス流量調節弁、２５…ドライ型凝縮器、３０…液化窒素供給弁、３１…放出弁、３２…蒸発器、ＦＩ−１…流量計、ＦＩＣ−１，ＦＩＣ−２…流量指示調節計、ＬＩＣ−１…液面指示調節計、ＰＩ−２…圧力計、ＰＩＣ−１，ＰＩＣ−２，ＰＩＣ−５…圧力指示調節計
【図１】
0003676531.tif 000002
【図２】
0003676531.tif 000003
【図３】
0003676531.tif 000004
【図４】
0003676531.tif 000005
【図５】
0003676531.tif 000006
【図６】
0003676531.tif 000007