(57)【要約】【課題】  輸送が可能な大きさで輸送時に不都合を生じず、設置現場での施工が容易な窒素ガス製造装置を提供する。【解決手段】  深冷空気分離法に用いられる窒素ガス製造装置１において、主熱交換器１０を収容した第１真空断熱コールドボックス２と、第１精留塔１１を収容した第２真空断熱コールドボックス３と、膨張タービン３３を収容した常圧断熱コールドボックス４を備えてなり、第１真空断熱コールドボックス２の下方に、常圧断熱コールドボックス４を配置し、主熱交換器１０と第１精留塔１１を、常圧断熱コールドボックス４内を通過する配管４０，４４，５０で連結した窒素ガス製造装置１である。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
深冷空気分離法に用いられる窒素ガス製造装置において、
主熱交換器を収容した第１真空断熱コールドボックスと、
第１精留塔を収容した第２真空断熱コールドボックスと、
膨張タービンを収容した常圧断熱コールドボックスを備えてなり、
前記第１真空断熱コールドボックスの下方に、前記常圧断熱コールドボックスを配置し、
前記主熱交換器と前記第１精留塔を、前記常圧断熱コールドボックス内を通過する配管で連結したことを特徴とする窒素ガス製造装置。
【請求項２】
前記第２真空断熱コールドボックスを、前記常圧断熱コールドボックスの側方に配置した請求項１に記載の窒素ガス製造装置。
【請求項３】
深冷空気分離法に用いられる窒素ガス製造装置において、
主熱交換器と第２精留塔を収容した第１真空断熱コールドボックスと、
第１精留塔を収容した第２真空断熱コールドボックスと、
膨張タービンを収容した常圧断熱コールドボックスを備えてなり、
前記第１真空断熱コールドボックスの下方に、前記常圧断熱コールドボックスを配置し、
前記主熱交換器と前記第１精留塔を、前記常圧断熱コールドボックス内を通過する配管で連結したことを特徴とする窒素ガス製造装置。
【請求項４】
前記第２真空断熱コールドボックスを、前記常圧断熱コールドボックスの側方に配置した請求項３に記載の窒素ガス製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒素ガス製造装置に関するものであり、特に、運搬・輸送が簡便な窒素ガス製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、窒素ガスの消費量の増大に伴って、窒素ガス製造装置も大型化する傾向にある。例えば、図７は、精留塔を１基備えた従来の窒素ガス製造装置の概略構成図である。この窒素ガス製造装置１は、真空断熱コールドボックス５内に、第１精留塔１１と、第１凝縮器２０と、主熱交換器１０を収容し、膨張タービン３３を、常圧断熱コールドボックス４の内部に配置した構成となっている。
【０００３】
さらに窒素ガスの製造量を増大させる場合には、図８に示したような精留塔を２基備えた窒素ガス製造装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図８に示した窒素ガス製造装置１は、真空断熱コールドボックス５内に、第１精留塔１１と、第１凝縮器２０と、第２精留塔１２と、第２凝縮器２１と、主熱交換器１０を収容し、真空断熱コールドボックス５の下方に、膨張タービン３３を収容した常圧断熱コールドボックス４を配置した構成となっている。
【特許文献１】特開２００３−３２９３６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、図８に示すように窒素ガス製造装置の大型化に伴って、個々の機器全部を真空断熱コールドボックス内に収容して窒素ガス製造装置全体を大きくすると、輸送が困難になるという問題があった。例えば、輸送時に道幅の広い道路しか通行できない等の問題や、場合によっては、大きすぎて車両で運搬できないという問題があった。
【０００６】
そこで、個々の機器を複数の真空断熱コールドボックスに収容して別個に輸送する方法が考えられるが、この場合、真空断熱コールドボックス間を連結する配管が必要となり、これを真空断熱配管とすると、設置現場での施工が困難になるという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、輸送が可能な大きさで輸送時に不都合を生じず、設置現場での施工が容易な窒素ガス製造装置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】
かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、深冷空気分離法に用いられる窒素ガス製造装置において、主熱交換器を収容した第１真空断熱コールドボックスと、第１精留塔を収容した第２真空断熱コールドボックスと、膨張タービンを収容した常圧断熱コールドボックスを備えてなり、前記第１真空断熱コールドボックスの下方に、前記常圧断熱コールドボックスを配置し、前記主熱交換器と前記第１精留塔を、前記常圧断熱コールドボックス内を通過する配管で連結したことを特徴とする窒素ガス製造装置である。
【０００９】
請求項２にかかる発明は、前記第２真空断熱コールドボックスを、前記常圧断熱コールドボックスの側方に配置した請求項１に記載の窒素ガス製造装置である。
【００１０】
請求項３にかかる発明は、深冷空気分離法に用いられる窒素ガス製造装置において、主熱交換器と第２精留塔を収容した第１真空断熱コールドボックスと、第１精留塔を収容した第２真空断熱コールドボックスと、膨張タービンを収容した常圧断熱コールドボックスを備えてなり、前記第１真空断熱コールドボックスの下方に、前記常圧断熱コールドボックスを配置し、前記主熱交換器と前記第１精留塔を、前記常圧断熱コールドボックス内を通過する配管で連結したことを特徴とする窒素ガス製造装置である。
【００１１】
請求項４にかかる発明は、前記第２真空断熱コールドボックスを、前記常圧断熱コールドボックスの側方に配置した請求項３に記載の窒素ガス製造装置である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の窒素ガス製造装置によれば、２つの真空断熱コールドボックスと常圧断熱コールドボックスを用意して、主熱交換器と第１精留塔とを別個の真空断熱コールドボックスに収容し、膨張タービンを常圧断熱コールドボックスに収容したことにより、各々が輸送可能な大きさとなり、輸送時に不都合を生じるのを防止することができる。
【００１３】
また、本発明の窒素ガス製造装置によれば、真空断熱コールドボックスの下方に、常圧断熱コールドボックスを配置し、主熱交換器と第１精留塔を、常圧断熱コールドボックス内を通過する配管で連結したことにより、真空断熱配管を使用する必要がないため、設置現場での施工を容易とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態に係る窒素ガス製造装置の例を図面に示し、詳細に説明する。
【００１５】
［第１の実施形態］
図１は、本実施形態に係る窒素ガス製造装置１の概略構成図である。また、図２は、本実施形態に係る窒素ガス製造装置１の概略系統図である。
【００１６】
この窒素ガス製造装置１は、主熱交換器１０を収容した第１真空断熱コールドボックス２と、第１精留塔１１と第１凝縮器２０を収容した第２真空断熱コールドボックス３と、膨張タービン３３を収容した常圧断熱コールドボックス４とから概略構成されている。
【００１７】
常圧断熱コールドボックス４は、第１真空断熱コールドボックス２の下方に配置されている。そして、第１真空断熱コールドボックス２内の主熱交換器１０と、第２真空断熱コールドボックス３内の第１精留塔１１とを連結する配管４０，４４，５０等は、真空断熱コールドボックス２，３間を直接連結しておらず、一旦常圧断熱コールドボックス４内を通過してから真空断熱コールドボックス内に入るようになっている。
【００１８】
第１真空断熱コールドボックス２および第２真空断熱コールドボックス３は、円筒状の容器で、内蔵機器・配管とコールドボックス外槽との間は、減圧されて真空となっている。また、真空部には、パーライト等の断熱材が充填されていても良い。第１真空断熱コールドボックス２および第２真空断熱コールドボックス３として、公知の真空断熱コールドボックスを用いることができる。
【００１９】
第１真空断熱コールドボックス２の大きさは、直径２〜３．５ｍ、高さ８〜１５ｍであり、その内部には主熱交換器１０が収容されている。また、第２真空断熱コールドボックス３の大きさは、直径２〜３．５ｍ、高さ８〜１５ｍであり、第１精留塔１１と、第１凝縮器２０と、これらを連結する配管４１，４２，４３等が収容されている。真空断熱コールドボックス２，３を、上記のような大きさとすることにより、トラック等の車両で輸送することができる。
【００２０】
また、常圧断熱コールドボックス４は、直方体形状の容器からなり、内蔵された配管・弁・その他部品との隙間は常圧となっていて、パーライト等の断熱材が充填されている。
【００２１】
常圧断熱コールドボックス４の大きさは、幅５〜１０ｍ、奥行２．５〜３．５ｍ、高さ１〜２．５ｍであり、その内部には膨張タービン３３と、減圧弁３１、弁３２等が収容されていると共に、第１真空断熱コールドボックス２内の機器と第２真空断熱コールドボックス３内の機器とを連結する配管４０，４４，４７，４８，４９，５０が通過している。常圧断熱コールドボックス４を、上記のような大きさとすることにより、トラック等の車両で輸送することができる。
【００２２】
本実施形態の窒素ガス製造装置１では、原料空気供給口、製品窒素採取口、排ガス排出口などコールドボックス外と接続される口を除いて、すべての配管は第１真空断熱コールドボックス２、第２真空断熱コールドボックス３、常圧断熱コールドボックス４のいずれかに収容されていて、コールドボックス外を通過するようには連結されていない。すべての配管をコールドボックス内に収容したことにより、配管からの放熱を防止することができる。
【００２３】
また、主熱交換器１０を第１真空断熱コールドボックス２に収容し、第１精留塔１１を第２真空断熱コールドボックス３に収容して、窒素ガス製造装置１を構成する機器を二分したことにより、各真空断熱コールドボックス２，３の大きさを輸送に適したものとすることができ、輸送時に不都合が生じるのを防止することができる。
【００２４】
また、膨張タービン３３、減圧弁３１、弁３２等を常圧断熱コールドボックス４に収容したことにより、これらの機器からの放熱を防止することができる。さらに、これらの機器が故障等した際には、真空断熱コールドボックスのように真空を破って開放する必要がないため、簡単にコールドボックスを開放・閉鎖することができ、故障機器の修理・交換等の作業を容易に行うことができる。
【００２５】
また、第１真空断熱コールドボックス２の下方に、常圧断熱コールドボックス４を配置したことにより、設置面積を小さくすることができると共に、第１真空断熱コールドボックス２内の機器と第２真空断熱コールドボックス３内の機器とを連結する配管４０，４４，４７，４８，４９，５０等を、常圧断熱コールドボックス４内を通過するように配置することができる。
【００２６】
その結果、これらの配管がコールドボックス外を通過することがないため、配管からの放熱を防止することができる。また、これらの配管を真空断熱配管にして、真空断熱コールドボックス２，３間を連結する必要がないため、コストを低下できると共に、設置現場での真空断熱施工が不要となり、施工を容易とすることができる。
【００２７】
次に、図２に示した本実施形態に係る窒素ガス製造装置１におけるガスの流れを説明し、この装置を用いた窒素ガス製造方法について、説明する。
【００２８】
大気から吸入した原料空気は、原料空気圧縮機（図示略）、原料空気精製器（図示略）等を通過して水分、二酸化炭素等の不純物が除去された後、第１真空断熱コールドボックス２内の主熱交換器１０に導入される。
【００２９】
この主熱交換器１０とは、圧縮された原料空気を製品ガスと熱交換して、液化点付近まで冷却するものである。主熱交換器１０で液化点付近まで冷却された原料空気は、配管４０を介して、常圧断熱コールドボックス４を通過してから第２真空断熱コールドボックス３内の第１精留塔１１下部に導入される。
【００３０】
この第１精留塔１１内には、精留段（棚）、規則充填材、または不規則充填材等が設けられていて、原料空気を精留できるようになっている。第１精留塔１１に導入された原料空気は、精留により、第１精留塔１１内上昇中に下降液である液化窒素と向流接触を行い、それにしたがって低沸点成分の組成が増加し、第１精留塔１１の塔頂部における窒素ガスと、第１精留塔１１の塔底部における酸素富化流体とに分離される。
【００３１】
第１精留塔１１の塔頂部に生成した窒素ガスは、第１精留塔１１上部から配管４１より導出され、一部は分岐した配管４４を通過し、主熱交換器１０で熱回収されて常温まで昇温され、製品窒素ガスとして配管４５から採取される。この配管４４は、第２真空断熱コールドボックス３から常圧断熱コールドボックス４を通過して、第１真空断熱コールドボックス２内の主熱交換器１０に連結されている。
【００３２】
第１精留塔１１の塔頂部に生成した窒素ガスの残部は、配管４２から第１凝縮器２０に導入される。第１凝縮器２０では、この窒素ガスと、第１精留塔１１塔底部からの酸素富化流体との間で熱交換が行われ、窒素ガスは凝縮して液化窒素となり、酸素富化流体はガス化する。
【００３３】
この液化窒素は、配管４３を通って、還流液として第１精留塔１１上部に導入される。第１精留塔１１では、この液化窒素は、下降液として第１精留塔１１内を下降し、上昇ガスと向流接触を行い、それにしたがって高沸点成分の組成が増加し、第１精留塔１１塔底部に酸素富化流体が生成する。
【００３４】
第１精留塔１１塔底部に生成した酸素富化流体は、第１精留塔１１塔底部に設けられた配管４６から導出され、減圧弁３１を経由して、第１凝縮器２０に導入される。この減圧弁３１は、常圧断熱コールドボックス４に収容されていて、配管４６は、第２真空断熱コールドボックス３から常圧断熱コールドボックス４を通過して、再度第２真空断熱コールドボックス３に戻るように連結されている。ただし、減圧弁３１を真空対応として、真空断熱コールドボックスに入れる例もある。この場合、配管４６は、常圧断熱コールドボックス４を通過することなく、第２真空断熱コールドボックス３内に収容される。
【００３５】
第１凝縮器２０でガス化した酸素富化ガスは、配管４７から導出され、第２真空断熱コールドボックス３から常圧断熱コールドボックス４を通過して、配管４９から第２真空断熱コールドボックス３内の主熱交換器１０を通過した後、膨張タービン３３に導入されて、必要な寒冷を発生する。配管４９は、配管５０と配管４８に分岐し、配管５０を通過した酸素富化ガスは、再度、主熱交換器１０で冷熱を回収した後、配管５１から排ガスとして排出される。一方、弁３２を通過し、配管４８に分岐された酸素富化ガスは、配管４９と合流する。
【００３６】
［第２の実施形態］
図３は、本実施形態に係る窒素ガス製造装置１の概略構成図である。この窒素ガス製造装置１は、第２真空断熱コールドボックス３を、常圧断熱コールドボックス４の側方に配置した以外は、第１の実施形態と同様であるので、それらの説明は省略する。
【００３７】
本実施形態の第１真空断熱コールドボックス２および第２真空断熱コールドボックス３の大きさは、第１の実施形態と同様でよいが、常圧断熱コールドボックス４の大きさは、第２真空断熱コールドボックス３を常圧断熱コールドボックス４の側方に配置する点から、幅１．５〜４ｍ、奥行１．５〜５ｍ、高さ１〜３．５ｍであるのが好ましい。
【００３８】
本実施形態では、第２真空断熱コールドボックス３を、常圧断熱コールドボックス４の側方に配置したことにより、常圧断熱コールドボックス内を通過する配管４０，４４，５０等が、第１の実施形態のように、一旦下方に下がってから上方に上がる配置となっていないため、上記配管内で液体が発生しても、液溜まりができることがなく、主熱交換器１０出口での液化を防止する配慮や、溜まった液を抜き出す処置をするなどの配慮を省くことができる。この配管４０、４４、４５は、液体が発生しても第１精留塔１１の塔底部に流れやすいように、傾斜がついていることがより好ましい。
【００３９】
［第３の実施形態］
図４は、本実施形態に係る窒素ガス製造装置１の概略構成図である。また、図５は、本実施形態に係る窒素ガス製造装置１の概略系統図である。
【００４０】
この窒素ガス製造装置１は、第１真空断熱コールドボックス２内に、主熱交換器１０と、第２精留塔１２と、第２凝縮器２１を収容した以外は、第１の実施形態と同様であるので、それらの説明は省略する。
【００４１】
本実施形態の第１真空断熱コールドボックス２および第２真空断熱コールドボックス３の大きさは、第１の実施形態と同様でよい。また、第１真空断熱コールドボックス２内には、主熱交換器１０に加えて、第２精留塔１２と、第２凝縮器２１と、これらを連結する配管５３，５４等が収容されている。
【００４２】
また、常圧断熱コールドボックス４の大きさも、第１の実施形態と同様でよく、常圧断熱コールドボックス４内には、膨張タービン３３の他に、減圧弁３１，３４と、弁３２等が収容されている。
【００４３】
本実施形態では、配管４１，４４を通過した窒素ガスは、第１製品窒素ガスとして配管４５から採取される。
【００４４】
また、第１凝縮器２０でガス化した酸素富化ガスは、配管４７から導出され、第２真空断熱コールドボックス３から常圧断熱コールドボックス４を通過して、二分され、一方は第１の実施形態と同様に、配管４９から第２真空断熱コールドボックス３内の主熱交換器１０を通過した後、膨張タービン３３に導入されて、必要な寒冷を発生する。その後、配管５０を通過し、配管５１から排ガスとして排出される。
【００４５】
他方は、配管５２から第２真空断熱コールドボックス３内の第２精留塔１２下部に導入される。第２精留塔１２内には、第１精留塔１１と同様に精留段（棚）、規則充填材、または不規則充填材等が設けられている。
【００４６】
第２精留塔１２に導入された酸素富化ガスは、精留により、第２精留塔１２内上昇中に下降液と向流接触を行い、それにしたがって低沸点成分の組成が増加し、第２精留塔１２の塔頂部における窒素ガスと、第２精留塔１２の塔底部における酸素富化流体とに分離される。
【００４７】
第２精留塔１２の塔頂部に生成した窒素ガスは、第２精留塔１２上部から導出され、二つに分岐された一方は、配管５５を通って、主熱交換器１０で熱回収されて常温まで昇圧され、第２製品窒素ガスとして配管５６から採取される。
【００４８】
第２精留塔１２の塔頂部に生成した窒素ガスの残部は、配管５３から第２凝縮器２１に導入される。第２凝縮器２１では、この窒素ガスと、第２精留塔１２塔底部に生成した酸素富化流体との間で熱交換が行われ、窒素ガス流体は凝縮して液化窒素となり、酸素富化流体はガス化して酸素富化ガスになる。
【００４９】
この液化窒素は、配管５４を通って、還流液として第２精留塔１２上部に導入される。第２精留塔１２では、この還流液は、下降液として第２精留塔１２内を下降し、上昇ガスと向流接触を行い、それにしたがって高沸点成分の組成が増加し、第２精留塔１２塔底部に酸素富化流体が生成する。
【００５０】
第２精留塔１２塔底部に生成した酸素富化流体は、第２精留塔１２塔底部の配管５７から導出され、減圧弁３４を経由して、第２凝縮器２１に導入される。この減圧弁３４は、常圧断熱コールドボックス４に収容されていて、配管５７は、第１真空断熱コールドボックス２から常圧断熱コールドボックス４に入り、減圧弁３４を通過して、再度第１真空断熱コールドボックス２に戻るように連結されている。ただし、第１の実施形態でも述べたように、減圧弁３４を真空対応の弁とした場合、配管５７は、常圧断熱コールドボックス４を通過することなく、第２凝縮器２１に接続される。
【００５１】
第２凝縮器２１でガス化した酸素富化ガスは、配管５８から導出され、第１真空断熱コールドボックス２から常圧断熱コールドボックス４で、弁３２を通過し、配管５０に合流後、第１真空断熱コールドボックス２内の主熱交換器１０を通過して、配管５１から排ガスとして排出される。
【００５２】
本実施形態では、精留塔を複数とし、第１真空断熱コールドボックス２内に、主熱交換器１０と、第２精留塔１２と、第２凝縮器２１を収容したことにより、窒素ガス製造装置１をさらに大型化しても輸送可能とし、かつ窒素ガス製造量を増加することができる。
【００５３】
本実施形態では、第１凝縮器２０でガス化した酸素富化ガスを二分しているが、全量を第２精留塔１２下部に導入してもよい。また、本実施形態では、第２凝縮器２１でガス化した酸素富化ガスを全量排ガスとしているが、これを二分して、その一方を膨張タービン３３に導入してもよい。
【００５４】
［第４の実施形態］
図６は、本実施形態に係る窒素ガス製造装置１の概略構成図である。この窒素ガス製造装置１は、第２真空断熱コールドボックス３を、常圧断熱コールドボックス４の側方に配置した以外は、第３の実施形態と同様であるので、それらの説明は省略する。
【００５５】
本実施形態の第１真空断熱コールドボックス２および第２真空断熱コールドボックス３の大きさは、第１の実施形態と同様でよいが、常圧断熱コールドボックス４の大きさは、第２真空断熱コールドボックス３を常圧断熱コールドボックス４の側方に配置する点から、第２の実施形態と同様であるのが好ましい。
【００５６】
本実施形態では、第２真空断熱コールドボックス３を、常圧断熱コールドボックス４の側方に配置したことにより、常圧断熱コールドボックス内を通過する配管４０，４４，５０等が、第３の実施形態のように、一旦下方に下がってから上方に上がる配置となっていないため、上記配管内で液体が発生しても、液溜まりができることがなく、主熱交換器１０出口での液化を防止する配慮や、溜まった液を抜き出す処置をするなどの配慮を省くことができる。この配管４０、４４、４５は、液体が発生しても第１精留塔１１の塔底部に流れやすいように、傾斜がついていることがより好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】第１の実施形態に係る窒素ガス製造装置の概略構成図である。
【図２】第１の実施形態に係る窒素ガス製造装置の概略系統図である。
【図３】第２の実施形態に係る窒素ガス製造装置の概略構成図である。
【図４】第３の実施形態に係る窒素ガス製造装置の概略構成図である。
【図５】第３の実施形態に係る窒素ガス製造装置の概略系統図である。
【図６】第４の実施形態に係る窒素ガス製造装置の概略構成図である。
【図７】精留塔を１基備えた従来の窒素ガス製造装置の概略構成図である。
【図８】精留塔を２基備えた従来の窒素ガス製造装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００５８】
１  窒素ガス製造装置
２  第１真空断熱コールドボックス
３  第２真空断熱コールドボックス
４  常圧断熱コールドボックス
１０  主熱交換器
１１  第１精留塔
１２  第２精留塔
３３  膨張タービン
４０，４４，５０  常圧断熱コールドボックス内を通過する配管
【図１】
2006275462.tif 000003
【図２】
2006275462.tif 000004
【図３】
2006275462.tif 000005
【図４】
2006275462.tif 000006
【図５】
2006275462.tif 000007
【図６】
2006275462.tif 000008
【図７】
2006275462.tif 000009
【図８】
2006275462.tif 000010