(57)【要約】【課題】酸素含有ガスの寒冷を利用することにより、高いエネルギー効率で、高純度の窒素およびアルゴンを製造する方法およびその方法に用いられる装置を提供する。【解決手段】原料空気が導入される第一精留塔２と、製品窒素ガスが導出される第二精留塔５と、製品アルゴンガスが導出される第三精留塔６と、第一精留塔２の塔頂部に貯留されたガスと前記第二精留塔５の塔底部に貯留された液とを熱交換するように構成される第一凝縮器３と、を有する製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置１００において、第二精留塔５の中間部から窒素を含有する中間部ガスを導出させ、第一凝縮器３から排出される凝縮器ガスと合流させる。合流させたガスを膨張タービン８により膨張冷却することにより、その寒冷を利用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の不純物が除去された原料空気が冷却される冷却工程と、
前記予冷工程で冷却された前記原料空気が第一精留塔に導入される原料空気導入工程と、
前記第一精留塔の塔底部から導出された酸素富化液が第二精留塔に導入される第一酸素富化液導入工程と、
前記第一精留塔の塔底部から導出された酸素富化液の少なくとも一部が第三精留塔に配置された第二凝縮器に導入される第二酸素富化液導入工程と、
前記第一精留塔において凝縮された窒素含有液を前記第二精留塔上部に環流液として導入する窒素含有液導入工程と、
前記第二精留塔の中間部から導出された中間部ガスと、前記第一精留塔の塔頂部に貯留されたガスと前記第二精留塔の塔底部に貯留された液とを熱交換するように構成される凝縮器前記第一精留塔と前記第二精留塔との中間に位置する凝縮器から導出された凝縮器ガスとの混合ガスの少なくとも一部が膨張されて寒冷を発生させる、膨張工程と、
前記第二精留塔の下部から導出されたアルゴン含有ガスが前記第三精留塔に導入されるアルゴン含有ガス導入工程と、
前記第二精留塔の塔頂部から製品窒素ガスが導出される製品窒素ガス導出工程と、
前記第二精留塔の中間部から製品アルゴンが導出される製品アルゴン導出工程と、を含む、製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造方法。
【請求項２】
所定の不純物が除去された原料空気を冷却する主熱交換器と、
冷却された前記原料空気が導入される第一精留塔と、
製品窒素ガスが導出される第二精留塔と、
製品アルゴンが導出される第三精留塔と、
前記第一精留塔の塔頂部に貯留されたガスと前記第二精留塔の塔底部に貯留された液とを熱交換するように構成される第一凝縮器と、
前記第一凝縮器において凝縮された窒素含有液の少なくとも一部を環流液として、前記第二精留塔に導入させる窒素含有液導入配管と、
前記第二精留塔の下部から、アルゴン含有ガスを前記第三精留塔に導入させるアルゴン含有ガス導入配管と、
前記第三精留塔の塔底部から、アルゴン含有液体を前記第二精留塔に導入させるアルゴン含有液体導出配管と、
前記第一凝縮器の気相部から凝縮器ガスを導出させる、凝縮器ガス導出配管と、
前記第二精留塔の中間部から中間部ガスを導出させる、中間部ガス導出配管と、
前記凝縮器ガスと、前記中間部ガスとの混合ガスを膨張冷却させる膨張タービンと、
前記第二精留塔から前記製品窒素ガスを導出させる製品窒素ガス導出配管と、
前記第三精留塔の中間部から前記製品アルゴンを導出させる、製品アルゴン導出配管と、
を備える製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置。
【請求項３】
前記第一精留塔の塔底部に貯留された酸素富化液を、前記第一精留塔の塔底部から導出させる、酸素富化液導出配管と、
前記酸素富化液導出配管から導出された酸素富化液を、前記第三精留塔に配置された第二凝縮器に導入する、第二酸素富化液導入配管と、
前記第二凝縮器から導出される酸素富化液を前記第二精留塔に導入する第三酸素富化液導入配管と、
を備える、請求項２に記載の製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置。
【請求項４】
前記第三酸素富化液導入配管は、前記第二凝縮器の気相部から気体状態の酸素富化液を前記第二精留塔に導入する、請求項３に記載の製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置。
【請求項５】
前記第二凝縮器の上部に配置される第四精留塔と、
前記第四精留塔の塔頂部から取出した第四精留塔塔頂部ガスを、前記第二精留塔に導入する第四精留塔塔頂部ガス導入配管と、をさらに有し、
前記第三酸素富化液導入配管は、前記第二凝縮器の液相部から液体状態の酸素富化液を前記第二精留塔に導入し、
前記第一精留塔の塔底部に貯留された酸素富化液は、前記第四精留塔の気相部を経由して、前記第二凝縮器に導入される、請求項２または請求項３に記載の製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置。
【請求項６】
前記第一精留塔の塔底部に貯留された酸素富化液の少なくとも一部を、前記第二精留塔に導入する、第一酸素富化液導入配管をさらに備える、請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載の製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置。
【請求項７】
前記混合ガスは、前記第一凝縮器の気相部から直接取出された前記凝縮器ガスと、前記第二精留塔の中間部から直接取出された前記中間部ガスとの混合ガスである、請求項２ないし請求項６のいずれか1項に記載の製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置。
【請求項８】
前記混合ガスは、前記第一凝縮器の気相部から直接取出された前記凝縮器ガスと、前記第二精留塔の中間部から直接取出された前記中間部ガスとを混合した後に、前記主熱交換器を経由させた混合ガスである、請求項２ないし請求項６のいずれか1項に記載の製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置。
【請求項９】
前記窒素含有液配管および前記酸素富化液導出配管の少なくともいずれか一方と、前記製品窒素ガス導出配管とが、サブクーラを経由する、請求項２ないし請求項８のいずれか1項に記載の製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置。
【請求項１０】
前記中間部ガス導出配管は、前記サブクーラに導入された後に、前記凝縮器ガス導出配管と第一合流点において接続され、前記第一合流点は、前記サブクーラの後段かつ前記膨張タービンの前段である、請求項９に記載の製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置。
【請求項１１】
前記第二精留塔の中間部は、前記窒素含有液導入配管の前記第二精留塔側の取り付け位置よりも下方であり、かつ、前記第一酸素富化液導入配管の前記第二精留塔側の取り付け位置よりも上方である、請求項２ないし請求項１０のいずれか1項に記載の製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置。
【請求項１２】
前記凝縮器ガス導出配管から導出される前記凝縮器ガスの導出流量に対する、前記中間部ガス導出配管から導出される前記中間部ガスの導出流量の比は０．０３以上２以下である、請求項２ないし請求項１１のいずれか１項に記載の製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒素ガスを製造するとともに、アルゴンを製造するための、窒素およびアルゴンの製造方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
深冷分離法を用いた窒素製造装置により窒素ガスを製造する方法において、精留塔の凝縮器部分から導出される酸素を含有するガスを寒冷源として利用することにより、エネルギー効率を高める方法が提案されている（例えば特許文献１）。特許文献１では、精留塔の中間部から導出される流体を主熱交換器に導入して原料空気との熱交換をさせることにより、寒冷源として利用する。この寒冷源として利用された後の流体を膨張タービンで膨張冷却させて、再度主熱交換器に導入して、さらにその寒冷を利用する方法が開示されている。
深冷分離法を用いた空気分離装置により、窒素、アルゴンおよび酸素を製造する方法が知られている。酸素とアルゴンは、その沸点が近似しているため、アルゴンを製造しようとする場合には酸素とアルゴンを分離するための精留を行う必要があり、この工程において高純度の酸素も製造されることが一般的である（例えば特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第４，２２２，７５６号明細書
【特許文献２】特開平８−６１８４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
エネルギー効率向上のために、特許文献１に開示される、精留塔の凝縮器部分から導出される酸素を含有するガスを寒冷源として利用する方法を、窒素だけでなくアルゴンも製造する方法に適用させることは困難であった。  また、特許文献１に開示される方法では、窒素を製造することができるが、アルゴンの製造については言及されていない。
しかし、近年では窒素だけでなくアルゴンも取出したいという要望が高まっている。
【０００５】
上記実情に鑑みて、本発明では、酸素含有ガスの寒冷を利用することにより、高いエネルギー効率で、高純度の窒素およびアルゴンを製造する方法およびその方法に用いられる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】
【０００６】
（発明１）
本発明に係る製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスの製造方法は、
所定の不純物が除去された原料空気が冷却される冷却工程と、
前記予冷工程で冷却された前記原料空気が第一精留塔に導入される原料空気導入工程と、
前記第一精留塔の塔底部から導出された酸素富化液が第二精留塔に導入される第一酸素富化液導入工程と、
前記第一精留塔の塔底部から導出された酸素富化液の少なくとも一部が第三精留塔に配置された第二凝縮器に導入される第二酸素富化液導入工程と、
前記第一精留塔において凝縮された窒素含有液を前記第二精留塔上部に環流液として導入する窒素含有液導入工程と、
前記第二精留塔の中間部から導出された中間部ガスと、前記第一精留塔の塔頂部に貯留されたガスと前記第二精留塔の塔底部に貯留された液とを熱交換するように構成される第一凝縮器から導出された凝縮器ガスとの混合ガスの少なくとも一部が膨張されて寒冷を発生させる、膨張工程と、
前記第二精留塔の下部から導出されたアルゴン含有ガスが前記第三精留塔に導入されるアルゴン含有ガス導入工程と、
前記第二精留塔の塔頂部から製品窒素ガスが導出される製品窒素ガス導出工程と、
前記第二精留塔の中間部から製品アルゴンが導出される製品アルゴン導出工程と、を含む。
【０００７】
第一精留塔は、第二精留塔よりも運転圧力が高く、原料空気を酸素富化液と窒素ガスに分離させることができる。第二精留塔では、アルゴンと酸素を含有するガスを製造し、第三精留塔に供給する。第三精留塔では製品アルゴンが製造される。
【０００８】
まず、圧縮され、所定の不純物を除去された原料空気は、主熱交換器における冷却工程により冷却されて、低温の原料空気となる。該原料空気は、原料空気導入工程において、第一精留塔へ導入される。第一精留塔に導入された原料空気は、第一精留塔の塔頂部で凝縮された液体窒素と接触し、精留され、酸素富化液と窒素ガスに分離される。
【０００９】
第一精留塔の下部に貯留された酸素富化液は、第一酸素富化液導入工程において第二精留塔の所定の位置に供給される。第二精留塔に供給された酸素富化液は、製品窒素および製品アルゴンの原料であり、第二精留塔における冷媒としても利用される。
第一精留塔の下部に貯留された酸素富化液の少なくとも一部は第二精留塔に供給される前に、第二酸素富化液導入工程において、第三精留塔に配置された第二凝縮器に供給される。導入された酸素富化液は、第二凝縮器においてアルゴンを凝縮するための冷媒として利用される。
第二凝縮器において気化した酸素富化液は、第三精留塔から導出された後に、第二精留塔の所定の位置に冷媒として供給される。
第一精留塔の下部に貯留された酸素富化液は、分流されて、一部が第二精留塔に供給され、第二精留塔に供給されない部分が第二凝縮器に供給されることもできるが、酸素富化液のすべてを第二凝縮器に供給した後に、第二精留塔に供給してもよい。酸素富化液が分流されて、一部が第二凝縮器を経由せずに第二精留塔に供給された場合であっても、第二凝縮器を経由した後の酸素富化液も第二精留塔に供給されることから、最終的には酸素富化液の全量が第二精留塔に供給されることとなる。
【００１０】
第一精留塔で凝縮された窒素含有液は、窒素含有液導入工程において、第二精留塔上部に環流液として導入される。
第一精留塔の凝縮器は、第一精留塔の塔頂部に貯留されたガスと第二精留塔の塔底部に貯留された液とを熱交換するように構成される。該凝縮器からは凝縮器ガスが導出される。凝縮器において凝縮されたガスは還流液として第一精留塔に供給され、凝縮器において気化された液は凝縮器ガスとして第二精留塔に供給される。第二精留塔の下部からアルゴン含有ガスが導出されるため、凝縮器ガスの主成分は酸素となる。深冷分離によってアルゴンを製造するためには、ほとんどすべての酸素を高純度に濃縮して回収する必要があるためである。さもなければ、アルゴンは酸素と沸点が非常に近いため、酸素流にアルゴンが容易に混入して流出し、アルゴンの回収ができなくなる。したがって、第二精留塔の低部から導出される凝縮器ガスは、ほぼ１００％の純酸素ガスとなる。
【００１１】
このため、凝縮器ガスの寒冷を、主熱交換器において利用しようとする場合には、酸素ガスの使用に耐えうる特殊素材の配管を使用する必要がある。さらに、主熱交換器において寒冷を利用した後の凝縮器ガスを膨張冷却させて、さらにその寒冷を主熱交換器で利用する場合には、酸素ガスの使用に耐えうる特殊素材の膨張タービンを使用しなければならない。凝縮器ガスを、主熱交換器を経由させずに直接膨張タービンに導入し、膨張タービンにより膨張冷却させる場合にも同様に、高濃度酸素に対応しうる特殊な膨張タービンを使用しなければならない。特殊素材としては、例えばジュラルミン等の素材が挙げられるが、入手が困難であり、高価である。
【００１２】
そこで本発明では、第二精留塔の中間部から導出された中間部ガスを、前記凝縮器ガスに合流させた後に、寒冷を放出させ、膨張冷却させ、さらに寒冷を発生させるようにした。中間部ガスは窒素ガスを多く含有するため、凝縮器ガスと混合すれば、ガス中に含有される酸素濃度を低下させることができる。これにより、酸素ガスの使用に耐えうる特殊素材を使用しない通常の配管や膨張タービンを用いることが可能となる。特殊素材を使用しない膨張タービンや配管は入手が容易であり、費用も安価である利点がある。中間部ガスの代わりに、製品窒素ガスを前記凝縮器ガスに混合することによっても膨張タービンに導入されるガス中酸素濃度を低減することができるが、これは製品窒素ガス量を低減させてしまうので望ましくない。
【００１３】
第一精留塔の塔底部から第二精留塔に酸素富化液を導入する際に、サブクーラを経由させて、第二精留塔へ導入される前の酸素富化液を冷却させてもよい。第二精留塔内部で酸素富化液が多量に気化することにより精留効率が低下する減少を抑制することができ、精留効率がより向上するためである。サブクーラでは、酸素富化液導出配管および窒素含有液導入配管を通過する流体が、製品窒素ガス導出配管を通過する製品窒素ガスとの熱交換を行うことにより、冷却される。
【００１４】
本発明では、酸素ガスの寒冷を原料空気の冷却に利用することが可能となる。酸素を主成分とする凝縮器ガスを、中間部ガスとともに主熱交換器に導入することにより、凝縮器ガスおよび中間部ガスの寒冷を利用した後に、膨張冷却させてさらにその寒冷を利用することができる。したがって、特に窒素およびアルゴンを必要とするが、酸素ガスを必要としない用途に対しては、ガス製品としては不要である酸素の寒冷を利用できることからエネルギー効率の高い製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造方法を提供することが可能となる。
【００１５】
ところで、第二精留塔では、窒素を含有するガスが第二精留塔内部を上昇しながら、第二精留塔の上部に供給された液体窒素と接触し、精留される。この工程において、窒素を含有するガスに同伴されたアルゴンおよび酸素の一部も第二精留塔内部を上昇する。同伴されたアルゴンおよび酸素は製品窒素ガス中に混入するため、製品窒素ガスの純度を低下させる要因となっていた。酸素窒素アルゴン成分を完全に分離し、高純度の製品窒素ガスを製造するためには、蒸留段を多く設置することも考えられるが、高コストになるという問題があると同時に、酸素窒素アルゴン成分の完全な精留分離は極めて精密な運転制御の調整が必要となり、原料空気の供給量などの負荷変動に際して安定した装置の運転が困難となる。
本発明においては、第二精留塔の中間部から窒素を含有する中間部ガスを導出させることにより、第二精留塔内部を上昇するアルゴンおよび酸素の量を低減させることができる。その結果、製品窒素ガス中に含有されるアルゴンおよび酸素の量が低減され、多数の蒸留段を設置することなく製品窒素ガスの純度を高めることが可能となる。
【００１６】
（発明２）
本発明にかかる製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスの製造装置（１００；１０１；１０２；１０３）は、
所定の不純物が除去された原料空気を冷却する主熱交換器（１）と、
冷却された前記原料空気が導入される第一精留塔（２）と、
製品窒素ガスが導出される第二精留塔（５）と、
製品アルゴンが導出される第三精留塔（６）と、
前記第一精留塔の塔頂部に貯留されたガスと前記第二精留塔の塔底部に貯留された液とを熱交換するように構成される第一凝縮器（３）と、
前記第一凝縮器（３）において凝縮された窒素含有液の少なくとも一部を環流液として、前記第二精留塔に導入させる窒素含有液導入配管（１１）と、
前記第二精留塔の下部から、アルゴン含有ガスを前記第三精留塔に導入させるアルゴン含有ガス導入配管（１７）と、
前記第三精留塔の塔底部から、アルゴン含有液体を前記第二精留塔に導入させるアルゴン含有液体導出配管（１９）と、
前記第一凝縮器（３）の気相部から凝縮器ガスを導出させる、凝縮器ガス導出配管（１４）と、
前記第二精留塔の中間部から中間部ガスを導出させる、中間部ガス導出配管（１５）と、
前記凝縮器ガスと、前記中間部ガスとの混合ガスを膨張冷却させる膨張タービン（８）と、
前記第二精留塔から前記製品窒素ガスを導出させる製品窒素ガス導出配管（１６）と、
前記第三精留塔の中間部から前記製品アルゴンを導出させる、製品アルゴン導出配管（１８）と、を備える。
なお、本明細書にカッコ書きで記載された符号は一実施形態を示すものであって、これに限られるものではない。
【００１７】
本発明における中間部ガス導出配管（１５）を設けない場合には、凝縮器ガス導出配管（１４）から導出される凝縮器ガス中の酸素濃度は極めて高くなる（例えば９９％以上である）。これはアルゴンガスを製造するために第二精留塔（５）から、アルゴン含有ガス導入配管（１７）によりアルゴンを含有するガスを導出させているためである。
本発明では、中間部ガス導出配管（１５）を設け、高濃度の酸素を含有する凝縮器ガスに、窒素を含有する中間部ガスを合流させることにより、酸素濃度を低減させている（例えば７０％以上９７％以下である）。そのため、膨張タービン（８）には酸素ガスに使用しうる特殊素材(例えばジュラルミン)を使用する必要がない。したがって配管や膨張タービンの入手が容易であり、価格も安価である利点がある。
凝縮器ガスと中間部ガスとの混合ガスは、膨張タービン（８）に導入され、膨張冷却される。これにより発生された寒冷は、主熱交換器（１）に導入され、原料空気との熱交換に利用される。
膨張タービン（８）に導入される前に、凝縮器ガスと中間部ガスとの混合ガスが主熱交換器（１）に導入されてもよい。この場合、凝縮器ガスと中間部ガスとの混合ガスが主熱交換器（１）において原料空気との熱交換を行うことにより、その寒冷を放出する。さらに寒冷を放出した後に膨張タービン（８）に導入され、膨張冷却される。膨張冷却されたガスは再度主熱交換器（１）に導入されて、その寒冷は原料空気との熱交換に利用される。
以上のように酸素を含有するガスの寒冷を利用することから、特に製品ガスとしての酸素が不要である用途において、高いエネルギー効率で製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスを製造することが可能となる。
【００１８】
さらに本発明では、中間部ガス導出配管（１５）を設けることにより、第二精留塔（５）内を上昇する窒素ガスに同伴されて第二精留塔（５）内を上昇するアルゴンおよび酸素の量を低減させることが可能となる。このため、第二精留塔（５）の塔頂部から得られる製品窒素ガスの純度が高くなるという効果がある。
【００１９】
（発明３）
上記の発明にかかる製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスの製造装置において、
前記第一精留塔の塔底部に貯留された酸素富化液を、前記第一精留塔の塔底部から導出させる、酸素富化液導出配管（２１）と、
前記酸素富化液導出配管（２１）から導出された酸素富化液を、前記第三精留塔に配置された第二凝縮器（７）に導入する、第二酸素富化液導入配管（１３）と、
前記第二凝縮器から導出される酸素富化液を前記第二精留塔に導入する第三酸素富化液導入配管（２２）と、をさらに備えてもよい。
【００２０】
（発明４）
発明３において、前記第三酸素富化液導入配管（２２）は、前記第二凝縮器（７）の気相部から気体状態の酸素富化液を前記第二精留塔（５）に導入してもよい。
【００２１】
酸素富化液は、冷媒として、また製品窒素および製品アルゴンの原料として第二精留塔（５）に導入される。しかし酸素富化液の一部または全部は第二凝縮器（７）へ導入され、酸素富化液の寒冷を利用した後に、第二精留塔（５）へ返送されてもよい。この場合、第二凝縮器（７）で気化した酸素富化液は第二凝縮器（７）の上部に気体状態で存在し、第二凝縮器（７）の上部から延伸された第三酸素富化液導入配管（２２）により第二精留塔（５）へと返送される。
【００２２】
（発明５）
上記の発明にかかる製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスの製造装置は、
前記第二凝縮器の上部に配置される第四精留塔（９）と、
前記第四精留塔の塔頂部から取出した第四精留塔塔頂部ガスを、前記第二精留塔に導入する第四精留塔塔頂部ガス導入配管（２３）と、をさらに有してもよい。
前記第三酸素富化液導入配管は、前記第二凝縮器の液相部から液体状態の酸素富化液を前記第二精留塔に導入する。
前記第一精留塔の塔底部に貯留された酸素富化液は、前記第四精留塔の気相部を経由して、前記第二凝縮器に導入される。
【００２３】
第四精留塔（９）を設けることにより、酸素富化液に含有されるアルゴンを第四精留塔（９）内部でさらに濃縮して、第二精留塔（５）へ供給することが可能となる。そのため第二精留塔（５）における分離の負荷を低減し、精留効率を向上させることが可能となり、さらにアルゴンの回収率も向上させることができる。
【００２４】
（発明６）
上記の発明にかかる製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスの製造装置において、
前記第二凝縮器の上部に配置される第四精留塔（９）と、前記第一精留塔の塔底部に貯留された酸素富化液の少なくとも一部を、前記第二精留塔に導入する、第一酸素富化液導入配管（１２）をさらに備えることもできる。
【００２５】
（発明７）
上記の発明にかかる製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスの製造装置において、凝縮器ガスと中間部ガスの混合ガスが圧縮タービン（８）に導入される。この混合ガスは、前記第一凝縮器（３）の気相部から直接取出された前記凝縮器ガスと、前記第二精留塔（５）の中間部から直接取出された前記中間部ガスとの混合ガスであってもよい。
【００２６】
凝縮器ガスと中間部ガスとの混合ガスを、膨張タービン（８）によりさらに冷却させた後に、その寒冷を主熱交換器（１）で利用することが可能となる。混合ガスの寒冷を有効に利用することにより、エネルギー効率を向上させることが可能となる。
【００２７】
（発明８）
また、該混合ガスは前記第一凝縮器の気相部から直接取出された前記凝縮器ガスと、前記第二精留塔の中間部から直接取出された前記中間部ガスとを混合した後に、前記主熱交換器を経由させた混合ガスであってもよい。
【００２８】
凝縮器ガスと中間部ガスとの混合ガスを、膨張タービン（８）に導入する前に主熱交換器（１）に導入して、その寒冷を利用し、さらに膨張タービン（８）により膨張冷却させた後に、その寒冷を主熱交換器（１）で利用することも可能である。混合ガスの寒冷を有効に利用することにより、エネルギー効率を向上させることが可能となる。
【００２９】
（発明９）
上記の発明にかかる製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスの製造装置において、前記窒素含有液配管（１１）および前記酸素富化液導出配管（２１）の少なくともいずれか一方と、前記製品窒素ガス導出配管とが、サブクーラ（４）を経由するように構成してもよい。
【００３０】
サブクーラ（４）を経由し、温度の低い製品窒素ガスとの熱交換を行うことにより、窒素含有液および／または酸素富化液は冷却される。これにより、第二精留塔（５）へ導入される窒素含有液および／または酸素富化液が、第二精留塔（５）内部で多量に気化して精留効率を低減させる減少を抑制することが可能となる。
【００３１】
（発明１０）
上記の発明にかかる製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスの製造装置において、中間部ガス導出配管は、前記サブクーラに導入された後に、前記凝縮器ガス導出配管と第一合流点（２５）において接続されてもよい。第一合流点（２５）は、前記サブクーラの後段かつ前記膨張タービンの前段である。
【００３２】
中間部ガスがサブクーラ（４）に導入されることにより、中間部ガスの寒冷が酸素富化液および／または窒素含有液の冷却に利用されることから、エネルギー効率のさらなる向上が可能となる。
【００３３】
（発明１１）
上記の発明にかかる製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスの製造装置において、前記第二精留塔の中間部は、前記窒素含有液導入配管（１１）の前記第二精留塔（５）側の取り付け位置よりも下方であり、かつ、前記第一酸素富化液導入配管（１２）の前記第二精留塔（５）側の取り付け位置よりも上方であってもよい。
【００３４】
中間部ガス導出配管（１５）を、窒素含有液導入配管（１１）よりも下方であり、かつ、第一酸素富化液導入配管（１２）よりも上方に取り付けることにより、製品窒素ガスの純度を高く維持しながら、膨張タービン（８）に導入されるガス中の酸素濃度を所定の濃度以下（例えば９７％以下）に制御することが可能となる。
【００３５】
（発明１２）
上記の発明にかかる製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスの製造装置において、
凝縮器ガス導出配管（１４）から導出される凝縮器ガスの導出流量に対する、中間部ガス導出配管（１５）から導出される中間部ガスの導出流量の比は０．０３以上２以下であってもよい。凝縮器ガスの導出流量に対する、中間部ガスの導出流量の比は、好ましくは０．２５以上０．５以下であってもよい。
【００３６】
上記の流量比とすることにより、主熱交換器（１）に導入される凝縮器ガスおよび中間部ガスの混合ガスに含有される酸素濃度を７０％以上９７％以下に維持しながら、温度をー１８５℃以上−１６５℃以下に制御することが可能となる。
【００３７】
上記の発明にかかる製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスの製造装置において、膨張タービン（８）に導入されるガス中の酸素濃度は７０％以上９７以下であってもよい。酸素濃度が７０％以上９７以下とすることにより、安価な材料（たとえばステンレス鋼）で構成された膨張タービン（８）を適用することができる。
【００３８】
以上に述べた製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置によれば、アルゴンの回収率を低下させることなく、酸素を含有する凝縮器ガスおよび中間部ガスの寒冷を利用することにより、高いエネルギー効率で製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造をすることができる。また、寒冷の利用にあたり、酸素ガスに耐久性のある特殊部材を使用することなく、一般的な素材（たとえばステンレス鋼）を使用した配管および膨張タービンを使用することが可能となる。また、酸素およびアルゴン含有量が少ない、高純度の製品窒素ガスを製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】実施形態１の製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置の構成例を示す図である。
【図２】実施形態２の製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置の構成例を示す図である。
【図３】実施形態３の製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置の構成例を示す図である。
【図４】実施形態４の製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下に本発明のいくつかの実施形態について説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の一例を説明するものである。本発明は以下の実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形形態も含む。なお、以下で説明される構成の全てが本発明の必須の構成であるとは限らない。
【００４１】
本発明にかかる窒素製造方法のフローについて、説明する。
【００４２】
（冷却工程）
冷却工程は、原料空気を熱交換器において冷却する工程である。主熱交換器に導入される原料空気は、外部より取り入れた原料空気を１つまたは複数の圧縮機により圧縮する圧縮工程と、圧縮された原料空気から所定の不純物を除去する除去工程とを経た原料空気であってもよい。除去工程における不純物の除去方法は特に限定されず、吸着、冷却等の既知の方法により行われても良い。除去される不純物は特に限定されず、熱交換器などを閉塞する原因となる炭酸ガス、水分などであってもよい。
圧縮工程は、圧縮された原料空気を冷却する冷却工程を含んでも良い。複数の圧縮機により原料空気を圧縮する場合には、それぞれの圧縮機で圧縮された原料空気を冷却する複数の冷却工程を含んでも良い。
【００４３】
冷却工程では、原料空気は、後述する製品窒素ガス、凝縮器ガス、および中間部ガスの少なくてもいずれか１つと熱交換を行うことにより冷却される。
図１に示す製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスの製造装置１００においては、主熱交換器１で冷却工程を実施する。
【００４４】
（原料空気導入工程）
原料空気導入工程は冷却工程で冷却された原料空気が第一精留塔に導入される工程である。第一精留塔導入前に原料空気が膨張冷却されても良い。原料空気の膨張冷却は膨張弁により実施されても良い。第一精留塔へ導入される原料空気の温度は例えば−１７０℃から−１５５℃の範囲であり、圧力は例えば７．０ｂａｒＡから１５ｂａｒＡの範囲である。
原料空気導入工程において第一精留塔に導入された原料空気は、酸素富化液と窒素ガスに分離される。酸素富化液は第一精留塔の塔底部に貯留され、窒素ガスは第一精留塔の上部に配置された凝縮器で凝縮されて液体窒素となる。
【００４５】
（第一酸素富化液導入工程）
第一酸素富化液導入工程は、第一精留塔の塔底部に貯留された酸素富化液を第二精留塔に導入する工程である。酸素富化液は、第二精留塔に導入される前に、その一部または全部が第三精留塔の第二凝縮器に導入されてもよい。第二精留塔に導入された酸素富化液の温度は例えば−１７５℃以上−１６０℃以下であり、第二精留塔の内部を下降しながら、第二精留塔を上昇するガスと接触し、第一精留塔と第二精留塔との間に配置される凝縮部に貯留される。
第一精留塔の塔底部から導出された酸素富化液は、第二精留塔に導入される前にサブクーラを経由することにより冷却されてもよいが、サブクーラを経由しなくてもよい。
【００４６】
（第二酸素富化液導入工程）
第二酸素富化液導入工程は、第一精留塔の塔底部に貯留された酸素富化液の一部または全部（例えば、塔底部に貯留された酸素富化液の１０％以上１００％以下である）を第三精留塔に導入する工程である。第三精留塔に導入された酸素富化液は、第三精留塔の上部に配置された凝縮部においてアルゴンガスと熱交換を行う。第三精留塔の上部に配置された凝縮部の上部から導出された、気化した酸素富化液は、第二精留塔に返送される。
ここで、気化した酸素富化液は、第二精留塔上部から下降する液と接触し、精留される。
【００４７】
（窒素含有液導入工程）
窒素含有液導入工程は、第一凝縮器において凝縮されることにより得られた液体窒素を第二精留塔上部に還流液として導入する工程である。第一凝縮器は第一精留塔の塔頂部に貯留されたガスと前記第二精留塔の塔底部に貯留された液とを熱交換するように構成される。第二精留塔に導入される窒素含有液の温度は例えば−１９２℃以上−１７５℃以下である。
第一凝縮器から導出された酸窒素含有液は、第二精留塔に導入される前にサブクーラを経由することにより冷却されてもよいが、サブクーラを経由しなくてもよい。
【００４８】
（アルゴン含有ガス導入工程）
アルゴン含有ガス導入工程は、第二精留塔の下部から導出されたアルゴン含有ガスが、第三精留塔に導入される工程である。第三精留塔に導入されたアルゴン含有ガスは、精留により酸素富化アルゴン含有液体と製品アルゴンに分離される。
【００４９】
（製品アルゴンガス導出工程）
製品アルゴンガス導出工程は、第三精留塔で得られた製品アルゴンガスを第三精留塔から導出する工程である。製品アルゴンガスの純度は例えば９９．９％以上である。
【００５０】
（製品窒素ガス導出工程）
製品窒素ガス導出工程は、第二精留塔の塔頂部から製品窒素ガスを導出する工程である。製品窒素ガスの純度は例えば９９．９９９９％以上である。第二精留塔の塔頂部から導出された製品窒素ガスの温度は例えば−１９２℃以上−１７５℃以下であってもよく、製品窒素ガスはサブクーラにおいて酸素富化液、および/または液体窒素を冷却してもよいが、サブクーラは設けられなくともよい。製品窒素ガスはさらに主熱交換器に冷端側から導入され、原料空気との熱交換を行った後に温端側から導出される。主熱交換器から導出される製品窒素ガスの温度は例えば０℃以上であってもよい。
【００５１】
（膨張工程）
膨張工程、凝縮器ガスと中間部ガスとの混合ガスが、主熱交換器において寒冷を放出した後に膨張冷却され、膨張冷却されたガスが再度主熱交換器において寒冷を放出する工程である。凝縮器ガスと中間部ガスとの混合ガスは、例えば−１８５℃以上−１６５℃以下の温度で主熱交換器の冷端側に導入される。そこで原料空気との熱交換を行うことにより寒冷が放出され、該混合ガスの温度は例えば−１２０℃以上−８０℃以下になる。該混合ガスは膨張タービンで膨張冷却されて、その温度は例えば−１４０℃以上−１００℃以下になり、主熱交換器の冷端側に再度導入される。ここで該混合ガスは、原料空気との熱交換を行い、寒冷を放出した後に主熱交換器の温端側から放出される。
凝縮器ガスの酸素濃度は例えば９９％以上であるが、中間部ガスと混合させることにより酸素濃度は例えば７０％以上９７％以下にまで低減される。
【００５２】
（実施形態１）
実施形態１の製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置について、図１を参照し説明する。
実施形態１に係る製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置１００は、主熱交換器１と、第一精留塔２と、第二精留塔５と、第三精留塔６と、窒素含有液導入配管１１と、第一酸素富化液導入配管１２と、第二酸素富化液導入配管１３と、凝縮器ガス導出配管１４と、中間部ガス導出配管１５と、膨張タービン８と、製品窒素ガス導出配管１６と、アルゴン含有ガス導入配管１７と、製品アルゴン導出配管１８と、を備える。
【００５３】
製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスの製造装置１００は深冷分離により窒素ガスおよびアルゴンガスを製造する装置であり、製品ガスとして使用する酸素ガスは製造しなくてもよい装置である。
【００５４】
主熱交換器１は原料空気を冷却する熱交換器である。主熱交換器に導入される前に、原料空気例えば原料空気量は１０００Ｎｍ３／ｈである）は圧縮機（不図示）により圧縮され、所定の不純物を除去されている。所定の不純物とは、特に限定されず、熱交換器などを閉塞する原因となる炭酸ガス、水分などであってもよい。
主熱交換器１内部では、原料空気と、後述する製品窒素ガス、凝縮器ガス、および中間部ガスの少なくとも１つとが熱交換を行う。これにより、原料空気はその液化点近くまで冷却される。原料空気の温度は例えば、主熱交換器１導入時には２０℃であり、例えば―１７０℃からー１５５℃にまで主熱交換器１で冷却される。
【００５５】
第一精留塔２では、主熱交換器１で冷却された原料空気が導入され、精留される。第一精留塔２の理論段数は３０段から８０段であり、例えば５０段とすることができる。第一精留塔２の運転圧力範囲は７ｂａｒＡ〜１５ｂａｒＡであり、運転圧力は例えば９ｂａｒＡとすることができる。
【００５６】
第二精留塔５では、塔頂部から製品窒素ガスが取り出される。第二精留塔５の理論段数は４０段から１２０段であり、例えば８０段とすることができる。第二精留塔５の運転圧力範囲は１．５ｂａｒＡ〜６ｂａｒＡであり、運転圧力は例えば２．５ｂａｒＡとすることができる。
【００５７】
第三精留塔６では、製品アルゴンガスが取り出される。第三精留塔６の理論段数は１００段から３００であり、例えば１８０段とすることができる。第三精留塔６の運転圧力範囲は１.５ｂａｒＡ〜６ｂａｒＡであり、運転圧力は例えば２．５ｂａｒＡとすることができる。
【００５８】
第一精留塔の塔頂部に貯留されたガスと前記第二精留塔の塔底部に貯留された液とを熱交換するように第一凝縮器３が配置される。第一精留塔２では、原料空気が酸素富化液と窒素ガスに分離され、酸素富化液は第一精留塔２の塔底部に貯留される。第一凝縮器３では、分離された窒素ガスが凝縮され、液体窒素となる。第一凝縮器３の上に配置される第二精留塔５の内部を下降することにより後述する酸素富化液が第一凝縮器３の冷媒として利用される。
第一凝縮器３において凝縮して得られた液体窒素の少なくとも一部(例えば、第一凝縮器３で凝縮した液体窒素の１０％以上９７％)は窒素含有液導入配管１１を経由して第二精留塔５の上部へ還流液として導入される。第二精留塔５の上部とは、第二精留塔５の内部の精留部の最上段よりも上であり、例えば第二精留塔５の理論段数が８０段である場合には、８０段目よりも上方である。
なお、第二精留塔２は第一凝縮器３の上方に配置されても良いが、横方向に配置されることも出来る。
【００５９】
第一精留塔２の塔底部に貯留された酸素富化液は、酸素富化液導出配管２１により第一精留塔の塔底部から導出される。この酸素富化液の一部または全部（(例えば、塔底部に貯留された酸素富化液の１０％以上１００％以下)は第一酸素富化液導入配管１２を経由して第二精留塔５へ導入され、第一精留塔２の塔底部に貯留された酸素富化液のうち第二精留塔５へ導入されない部分は第二酸素富化液導入配管１３を経由して第三精留塔６へ導入される。
【００６０】
第一酸素富化液導入配管１２の、第二精留塔５側の取り付け位置は窒素含有液導入配管１１および後述する中間部ガス導出配管１５よりも下である。
窒素含有液導入配管１１の、第二精留塔５側の取り付け位置は、たとえば第二精留塔内の精留充填剤が充填された位置よりも上である。第一酸素富化液導入配管１２の第二精留塔５側の取り付け位置は、たとえば第二精留塔の高さの２／４よりも上であり、３／４よりも下であってもよい。
理論段数で算出する場合においては、第一酸素富化液導入配管１２の、第二精留塔５側の取り付け位置は、例えば前段数に０．５以上０．７以下を乗じた段数に相当する位置である。具体的には、第二精留塔５理論段数が８０段である場合には、４０段目（８０×０．５＝４０）よりも上方であり、かつ、５６段目（８０×０．７＝５６）よりも下方である。
第二酸素富化液導入配管１３は、第三精留塔６の上方に配置される第二凝縮器に酸素富化液が導入されるように配置される。第二酸素富化液導入配管１３を経由した酸素富化液は、第三精留塔６内部を上昇するアルゴンガスを凝縮させるために、第二凝縮器７において冷媒として利用される。第二凝縮器７において気化した酸素富化液は第二凝縮器７から排出された後に、第一酸素富化液導入配管１２に合流し、第二精留塔５に導入されてもよい。
【００６１】
凝縮器ガス導出配管１４は、第一精留塔２の塔頂部に貯留されたガスと第二精留塔５の塔底部に貯留された液とを熱交換するように構成される第一凝縮器３から排出される凝縮器ガスを導出させる配管である。凝縮器ガス中の酸素濃度は例えば９９．９％以上である。
【００６２】
中間部ガス導出配管１５は、第二精留塔５の中間部から中間部ガスを導出させる配管である。中間部ガス導出配管１５は、窒素含有液導入配管１１の第二精留塔側の取り付け位置よりも下方であり、かつ、第一酸素富化液導入配管１２の前記第二精留塔側の取り付け位置よりも上方である。第二精留塔５の理論段数が８０段である場合には、中間部ガス導出配管１５の取り付け位置は例えば５６段以上７９段以下の位置である。中間部ガス中の窒素濃度は例えば８０％以上９９％以下である。
凝縮器ガス導出配管１４と、中間部ガス導出配管１５とは、主熱交換器１の前段で合流し、そこで中間部がスト凝縮器ガスは混合される。混合されたガス中の酸素濃度は例えば７０％以上９７％以下である。
凝縮器ガスの導出流量に対する、中間部ガスの導出流量の比は０．１以上２以下であってもよく、好ましくは０．２以上０．５以下であってもよい。
【００６３】
膨張タービン８は、主熱交換器１を経由して、主熱交換器１の内部で原料空気との熱交換を行うことにより寒冷を放出した後の中間部ガスおよび凝縮器ガスの混合ガスを膨張冷却される膨張タービンである。最初に主熱交換器に導入されるときの、中間部ガスおよび凝縮器ガスの混合ガスの温度は例えば−１８５℃以上−１６５℃以下であり、主熱交換器１から導出されて膨張タービン８に導入される前の温度は例えば−１２０℃以上−８０℃以下である。この混合ガスは、膨張タービン８により膨張冷却されて、例えば−１４０℃以上−１００℃以下の温度となる。膨張冷却された混合ガスは再度、主熱交換器１に導入され、原料空気との熱交換を行うことにより寒冷を放出した後に、主熱交換器１から排出される。
【００６４】
製品窒素ガス導出配管１６は、第二精留塔５の塔頂部から製品窒素ガスを導出させる配管である。導出された製品窒素ガスの温度は例えば−１９２℃以上−１７５℃以下の範囲であり、そのまま窒素ガスとして供給されてもよいが、主熱交換器１に導入され、原料空気との熱交換を行うことにより寒冷を放出して、例えば０℃以上〜２０℃以下の温度の窒素ガスとして供給されてもよい。さらに主熱交換器１の導入前にサブクーラ４において熱交換を行ってもよい。
【００６５】
サブクーラ４の内部では、窒素含有液および酸素富化液と、製品窒素ガスが熱交換を行う。すなわち、サブクーラ４の内部では、製品窒素ガスの寒冷を利用して、窒素含有液および酸素富化液が冷却される。
窒素含有液および酸素富化液が冷却されることにより、窒素含有液および酸素富化液が第二精留塔５内部で多量に気化して第二精留塔５の精留効率を低下させる現象を抑制させることができるが、サブクーラは設置しなくても良い。
【００６６】
サブクーラ４が設置されない場合には、第一凝縮器３において凝縮した窒素含有液は、直接窒素含有液導入配管１１により第二精留塔５の上部へ導入される。同様に、第一精留塔２の塔底部から、酸素富化液導出配管２１を経由して導出された酸素富化液は、直接第二精留塔５の中間部へ導入される。第二精留塔４の塔頂部から製品窒素ガス導出配管１６を経由して導出された製品窒素ガスは直接主熱交換器１へ導入され、製品窒素ガスの寒冷を利用した後に、主熱交換器１から排出される。
【００６７】
アルゴン含有ガス導入配管１７は、第二精留塔５の下部からアルゴン含有ガスを第三精留塔６に導入させる配管である。アルゴン含有ガス導入配管１７の、第二精留塔５側の取り付け位置は、第一酸素富化液導入配管１２よりも下方であり、例えば第二精留塔５の理論段数が８０段の場合、２０段以上４０段以下の位置である。
【００６８】
第三精留塔６に導入されたアルゴン含有ガスは、精留により酸素富化アルゴン含有液体と製品アルゴンガスに分離される。製品アルゴンガスは製品アルゴンガス導出配管１８から導出される。一方、第三精留塔６の塔底部に貯留された酸素富化アルゴン含有液体は、アルゴン含有液体導出配管１９を経由して第二精留塔５に導入される。アルゴン含有液体導出配管１９の位置は、製品アルゴンガス導出配管１８よりも下方である。
【００６９】
（実施形態２）
実施形態２の製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置１０１について、図２を参照し説明する。実施形態１の製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置と同じ符号の要素は同じ機能を有するので、その説明を省略する。
実施形態２において、中間部ガスは、中間部ガス導出配管１５２を経由してサブクーラ４に導入される。サブクーラ４において中間部ガスはー１７０℃程度まで温度が上昇された後に、凝縮器ガスと混合する。
これにより、酸素富化液および／または窒素含有液をさらに冷却することが可能となり、第二および第三精留塔における精留効率を向上させることができる。
【００７０】
中間部ガス導出配管１５２は、サブクーラ４を経由して、第一合流点２５において凝縮器ガス導出配管１４に接続される。第一合流点は、サブクーラ４の後段であって、膨張タービン８の前段に位置する。膨張タービンに導入される前の、中間部ガスと凝縮器ガスとの混合ガスが、主熱交換器１に導入される場合には、第一合流点は、サブクーラ４の後段であって、主熱交換器１の前段に位置する。
第一合流点２５において、中間部ガスと凝縮器ガスが混合されて混合ガスが生成される。該混合ガス中の酸素濃度は例えば７０％以上９７％以下であることから、高濃度酸素に対応しうる特殊な膨張タービンを使用する必要はない。
【００７１】
（実施形態３）
実施形態３の製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置１０２について、図３を参照し説明する。実施形態１または実施形態２の製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置と同じ符号の要素は同じ機能を有するので、その説明を省略する。
第三精留塔６に配置された第二凝縮器の上部に、第二凝縮器において蒸発した酸素富化液を精留する第四精留塔９を配置しても良い。第二凝縮器において気化した酸素富化液は第四精留塔９で、さらに酸素富化された液と、窒素富化されたガスに分離される。ここで窒素富化されたガスは、第四精留塔９の塔頂部すなわち第三精留塔６の塔上部から取出され、ガス相側の第一酸素富化液導入配管１２１を経由して第二精留塔へ導入される。一方、第四精留塔９においてさらに酸素富化された液は、第二凝縮器７に貯留され、液相側の第一酸素富化液導入配管１２２を経由して第二精留塔へ導入される。このように第四精留塔９でガス相と液相とに分離された酸素富化液を、それぞれ第二精留塔５に導入することにより、第二精留塔の精留効率を向上させることが可能となる。
【００７２】
実施形態３において、第一精留塔２の塔底部に貯留された酸素富化液は、酸素富化液導出配管２１により第一精留塔２から導出される。続いて酸素富化液は第二酸素富化液導入配管１３３から第四精留塔９の上部へ導入され、第四精留塔９を経由して第二凝縮器７へ導入される。
酸素富化液導出配管を経由する酸素富化液は、サブクーラ４へ導入されてもよいが、導入されなくてもよい。
【００７３】
（別実施形態）
別実施形態として、実施形態３における中間部ガス導出配管１５が、サブクーラ４を経由する構成とすることも可能である。
【００７４】
（実施形態４）
実施形態４の製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置１０３について、図４を参照し説明する。実施形態１〜３２の製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置と同じ符号の要素は同じ機能を有するので、その説明を省略する。
実施形態１ないし実施形態３では、第一精留塔２の上に第一凝縮器３が配置され、さらに第一凝縮器３の上に第二精留塔５が配置されている。しかしこのように上方向へと積み上げると精留塔全体の高さが非常に高くなり、建設、設置が困難になることがある。そこで実施形態４では第二精留塔の上部に該当する部分（５４１で図示する）を第一精留塔２および第一凝縮器３の横に配置することとした。
【００７５】
実施形態４では、第二精留塔が、図４において５４２で示すセクションと、５４１で示すセクションとの２つのセクションから構成されている。第二精留塔の第一セクション５４１の塔底部には、第二セクション５４２の塔頂部から、配管４１を通じてガスが供給される。一方、第二セクション５４２の塔頂部には、第一セクション５４１の塔底部から、配管４２と環流液ポンプ３０を経由して、流体が供給される。
中間部ガス導出配管１５４は第二精留塔の上部５４１の中間部から中間部ガスを導出させ、凝縮器ガス導出配管１４と合流する。
【００７６】
同様に第四精留塔９も必要に応じて２つのセクションに分割され、第四精留塔の上部は、第三精留塔６および第二凝縮器７の横方向に配置することが可能である。
【００７７】
（実施例１）
実施形態１にかかる窒素製造装置１００（図２に示す）を用いて、原料として窒素７５．６重量％を有し、温度２０℃、圧力９．０ｂａｒＡを有する空気を１２９５ｋｇ／ｈｒ使用した場合の、各部における圧力（ｂａｒＡ）、温度（℃）、流量（ｋｇ／ｈ）等をシミュレーションにより実証した。
【００７８】
（結果）
原料空気圧縮機(不図示)により、外部より取り入れた原料空気圧力は１．０１３ｂａｒＡから９．０ｂａｒＡへと昇圧される。
その後、除去部において炭酸ガス、水分を除去された原料空気は主熱交換器１へ導入される。主熱交換器１の導入時の原料空気の温度は２０℃である。
主熱交換器１から導出された原料空気の温度は−１６０℃である。原料空気は第一精留塔２へ導入され、精留される。第一精留塔２の運転圧は８．８ｂａｒＡである。第一精留塔２の理論段数は５０段である。
第一精留塔２の塔底部に貯留された酸素富化液のうち１０重量％は、第一酸素富化液導入配管１２を経由して、温度−１８０℃で第二精留塔５の、理論段５０の位置に導入される。第一精留塔２の塔底部に貯留された酸素富化液のうち第二精留塔５に導入されなかった部分は、第二酸素富化液導入配管１３を経由して、温度−１８０℃で第三精留塔６の第二凝縮器へと導入される。
第一精留塔の上部に分離された窒素ガスは、第一凝縮器３で凝縮され、液体窒素を生成する。得られた窒素のうち４０重量％は窒素含有液導入配管１１を経由して、温度−１９０℃で第二精留塔５の上部へと導入される。導入位置は理論段数８０の位置よりも上方である。第一精留塔２と第二精留塔５の中間に配置された第一凝縮器の上部からは、酸素ガスを９９重量％含有する凝縮器ガスが、凝縮器ガス導出配管１４から排出される。
第二精留塔５の中間部からは、中間部ガス導出配管１５を経由して中間部ガスが排出される。中間部ガスの組成は窒素８５重量％、酸素１３重量％、アルゴン２重量％である。中間部ガス導出配管１５の取り付け位置は、理論段数５５段の位置である。
中間部ガスと、凝縮器ガスとは混合され、混合ガスとなって、温度−１７０℃で主熱交換器１へ導入され、寒冷を放出する。混合ガスの酸素濃度は８４％である。その後、主熱交換器１から導出された混合ガスはー１１０℃で膨張タービン８に導入され、膨張冷却されて、温度−１３０℃で再度主熱交換器１に導入される。その後、主熱交換器１の内部で原料空気との熱交換を行い、寒冷を放出して、主熱交換器１から排出される。
第二精留塔５の塔頂部からは、製品窒素ガス導出配管１６を経由して温度−１８５℃の製品窒素ガス(純度は９９．９９重量％である)が導出される。製品窒素ガスはサブクーラ４で熱交換によりー１７０℃まで温度が上昇され、その後さらに主熱交換器１において寒冷を放出して、１５℃の製品窒素ガスとなる。製品窒素ガスの純度は９９．９９重量％であり、アルゴン含有量は１０ｐｐｍ、酸素含有量は１００ｐｐｂであった。
第二精留塔５の下部からはアルゴン含有ガス（アルゴン濃度は１０重量％である）が、アルゴン含有ガス導入配管１７を経由して第三精留塔６に導入され、精留される。第三精留塔６の運転圧力は２．５ｂａｒＡであり、理論段数は２００段である。製品アルゴン導出配管１８が第二凝縮器の下部に配置され、純度９９．９重量％の製品アルゴンが導出される。
第三精留塔６の塔底部に貯留された酸素富化アルゴン含有液体は、アルゴン含有液体導出配管１９を経由して第二精留塔５へ返送される。アルゴン含有液体は、酸素９２重量％とアルゴン８重量％を含有する。
第三精留塔６の上部に配置された第二凝縮器７の上部からは、気化した酸素富化液が排出され、第一酸素富化液導入配管１２に合流して第二精留塔５へと導入される。
【００７９】
以上のような構成により、温度２０℃、圧力２．２ｂａｒＡの製品窒素ガス（９３５ｋｇ／ｈｒ）および温度−１７５℃、圧力２．３ｂａｒＡの製品アルゴン（１４ｋｇ／ｈｒ）を得ることができた。製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造に必要なエネルギーは１１０ｋＷであり、中間部ガスおよび凝縮器ガスの寒冷を有効に利用することができたため、エネルギー効率で製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスを製造できたといえる。また、製造にあたり、酸素ガスの使用に耐えうる特殊材料ではなく、一般的に用いられる膨張タービンを使用することができた。さらに、中間部ガス導出配管１５を設けることにより、製品窒素ガス中のアルゴンおよび酸素濃度を低減することができ、高純度の製品窒素ガスを得ることができた。
【符号の説明】
【００８０】
１．  主熱交換器
２．  第一精留塔
３．  第一凝縮器
４．  サブクーラ
５．  第二精留塔
６．  第三精留塔
７．  第二凝縮器
８．  膨張タービン
９．  第四精留塔
１１．  窒素含有液導入配管
１２．  第一酸素富化液導入配管
１３．  第二酸素富化液導入配管
１４．  凝縮器ガス導出配管
１５．  中間部ガス導出配管
１６．  製品窒素ガス導出配管
１７．  アルゴン含有ガス導入配管
１８．  製品アルゴン導出配管
１９．  アルゴン含有液体導出配管
２１．  酸素富化液導出配管
２２．  第三酸素富化液導入配管
２３．  第四精留塔塔頂部ガス導入配管      
２５．  第一合流点
１００．  製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置
【図１】
2019163897.tif 000003
【図２】
2019163897.tif 000004
【図３】
2019163897.tif 000005
【図４】
2019163897.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成30年9月14日(2018.9.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
所定の不純物が除去された原料空気が冷却される冷却工程と、
前記冷却工程で冷却された前記原料空気が第一精留塔に導入される原料空気導入工程と、
前記第一精留塔の塔底部から導出された酸素富化液が第二精留塔に導入される第一酸素富化液導入工程と、
前記第一精留塔の塔底部から導出された酸素富化液の少なくとも一部が第三精留塔に配置された第二凝縮器に導入される第二酸素富化液導入工程と、
第一凝縮器において凝縮された窒素含有液を前記第二精留塔上部に還流液として導入する窒素含有液導入工程と、
前記第二精留塔の中間部から導出された中間部ガスと、前記第一精留塔の塔頂部に貯留されたガスと前記第二精留塔の塔底部に貯留された液とを熱交換するように構成される第一凝縮器から導出された凝縮器ガスとの混合ガスの少なくとも一部が、主熱交換器において原料空気との熱交換を行うことにより寒冷を放出させた後に膨張されて寒冷を発生させ、前記主熱交換器に再度導入されることによりさらに寒冷を放出させる、膨張工程と、
前記第二精留塔の下部から導出されたアルゴン含有ガスが前記第三精留塔に導入されるアルゴン含有ガス導入工程と、
前記第二精留塔の塔頂部から製品窒素ガスが導出される製品窒素ガス導出工程と、
前記第三精留塔の中間部から製品アルゴンが導出される製品アルゴン導出工程と、を含む、製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２】
所定の不純物が除去された原料空気を冷却する主熱交換器と、
冷却された前記原料空気が導入される第一精留塔と、
製品窒素ガスが導出される第二精留塔と、
製品アルゴンが導出される第三精留塔と、
前記第一精留塔の塔頂部に貯留されたガスと前記第二精留塔の塔底部に貯留された液とを熱交換するように構成される第一凝縮器と、
前記第一凝縮器において凝縮された窒素含有液の少なくとも一部を還流液として、前記第二精留塔に導入させる窒素含有液導入配管と、
前記第二精留塔の下部から、アルゴン含有ガスを前記第三精留塔に導入させるアルゴン含有ガス導入配管と、
前記第三精留塔の塔底部から、アルゴン含有液体を前記第二精留塔に導入させるアルゴン含有液体導出配管と、
前記第一凝縮器の気相部から凝縮器ガスを導出させる、凝縮器ガス導出配管と、
前記第二精留塔の中間部から中間部ガスを導出させる、中間部ガス導出配管と、
前記凝縮器ガスと、前記中間部ガスとの混合ガスを、前記主熱交換器を経由させた後に、膨張冷却させる膨張タービンと、
前記膨張タービンにおいて膨張冷却されたガスを前記主熱交換器に導入する配管と、
前記第二精留塔から前記製品窒素ガスを導出させる製品窒素ガス導出配管と、
前記第三精留塔の中間部から前記製品アルゴンを導出させる、製品アルゴン導出配管と、
を備える製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
（発明１）
本発明に係る製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスの製造方法は、
所定の不純物が除去された原料空気が冷却される冷却工程と、
前記冷却工程で冷却された前記原料空気が第一精留塔に導入される原料空気導入工程と、
前記第一精留塔の塔底部から導出された酸素富化液が第二精留塔に導入される第一酸素富化液導入工程と、
前記第一精留塔の塔底部から導出された酸素富化液の少なくとも一部が第三精留塔に配置された第二凝縮器に導入される第二酸素富化液導入工程と、
第一凝縮器において凝縮された窒素含有液を前記第二精留塔上部に還流液として導入する窒素含有液導入工程と、
前記第二精留塔の中間部から導出された中間部ガスと、前記第一精留塔の塔頂部に貯留されたガスと前記第二精留塔の塔底部に貯留された液とを熱交換するように構成される第一凝縮器から導出された凝縮器ガスとの混合ガスの少なくとも一部が、主熱交換器において原料空気との熱交換を行うことにより寒冷を放出させた後に膨張されて寒冷を発生させ、前記主熱交換器に再度導入されることによりさらに寒冷を放出させる、膨張工程と、
前記第二精留塔の下部から導出されたアルゴン含有ガスが前記第三精留塔に導入されるアルゴン含有ガス導入工程と、
前記第二精留塔の塔頂部から製品窒素ガスが導出される製品窒素ガス導出工程と、
前記第三精留塔の中間部から製品アルゴンが導出される製品アルゴン導出工程と、を含む。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
第一精留塔で凝縮された窒素含有液は、窒素含有液導入工程において、第二精留塔上部に還流液として導入される。
第一精留塔の凝縮器は、第一精留塔の塔頂部に貯留されたガスと第二精留塔の塔底部に貯留された液とを熱交換するように構成される。該凝縮器からは凝縮器ガスが導出される。凝縮器において凝縮されたガスは還流液として第一精留塔に供給され、凝縮器において気化された液は凝縮器ガスとして第二精留塔に供給される。第二精留塔の下部からアルゴン含有ガスが導出されるため、凝縮器ガスの主成分は酸素となる。深冷分離によってアルゴンを製造するためには、ほとんどすべての酸素を高純度に濃縮して回収する必要があるためである。さもなければ、アルゴンは酸素と沸点が非常に近いため、酸素流にアルゴンが容易に混入して流出し、アルゴンの回収ができなくなる。したがって、第二精留塔の低部から導出される凝縮器ガスは、ほぼ１００％の純酸素ガスとなる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
（発明２）
本発明にかかる製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスの製造装置（１００；１０１；１０２；１０３）は、
所定の不純物が除去された原料空気を冷却する主熱交換器（１）と、
冷却された前記原料空気が導入される第一精留塔（２）と、
製品窒素ガスが導出される第二精留塔（５）と、
製品アルゴンが導出される第三精留塔（６）と、
前記第一精留塔の塔頂部に貯留されたガスと前記第二精留塔の塔底部に貯留された液とを熱交換するように構成される第一凝縮器（３）と、
前記第一凝縮器（３）において凝縮された窒素含有液の少なくとも一部を還流液として、前記第二精留塔に導入させる窒素含有液導入配管（１１）と、
前記第二精留塔の下部から、アルゴン含有ガスを前記第三精留塔に導入させるアルゴン含有ガス導入配管（１７）と、
前記第三精留塔の塔底部から、アルゴン含有液体を前記第二精留塔に導入させるアルゴン含有液体導出配管（１９）と、
前記第一凝縮器（３）の気相部から凝縮器ガスを導出させる、凝縮器ガス導出配管（１４）と、
前記第二精留塔の中間部から中間部ガスを導出させる、中間部ガス導出配管（１５）と、
前記凝縮器ガスと、前記中間部ガスとの混合ガスを、前記主熱交換器（１）を経由させた後に、膨張冷却させる膨張タービン（８）と、
前記膨張タービン（８）において膨張冷却されたガスを前記主熱交換器（１）に導入する配管と、
前記第二精留塔から前記製品窒素ガスを導出させる製品窒素ガス導出配管（１６）と、
前記第三精留塔の中間部から前記製品アルゴンを導出させる、製品アルゴン導出配管（１８）と、を備える。
なお、本明細書にカッコ書きで記載された符号は一実施形態を示すものであって、これに限られるものではない。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
（窒素含有液導入工程）
窒素含有液導入工程は、第一凝縮器において凝縮されることにより得られた液体窒素を第二精留塔上部に還流液として導入する工程である。第一凝縮器は第一精留塔の塔頂部に貯留されたガスと前記第二精留塔の塔底部に貯留された液とを熱交換するように構成される。第二精留塔に導入される窒素含有液の温度は例えば−１９２℃以上−１７５℃以下である。
第一凝縮器から導出された窒素含有液は、第二精留塔に導入される前にサブクーラを経由することにより冷却されてもよいが、サブクーラを経由しなくてもよい。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
（膨張工程）
膨張工程は、凝縮器ガスと中間部ガスとの混合ガスが、主熱交換器において寒冷を放出した後に膨張冷却され、膨張冷却されたガスが再度主熱交換器において寒冷を放出する工程である。凝縮器ガスと中間部ガスとの混合ガスは、例えば−１８５℃以上−１６５℃以下の温度で主熱交換器の冷端側に導入される。そこで原料空気との熱交換を行うことにより寒冷が放出され、該混合ガスの温度は例えば−１２０℃以上−８０℃以下になる。該混合ガスは膨張タービンで膨張冷却されて、その温度は例えば−１４０℃以上−１００℃以下になり、主熱交換器の冷端側に再度導入される。ここで該混合ガスは、原料空気との熱交換を行い、寒冷を放出した後に主熱交換器の温端側から放出される。
凝縮器ガスの酸素濃度は例えば９９％以上であるが、中間部ガスと混合させることにより酸素濃度は例えば７０％以上９７％以下にまで低減される。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７５】
実施形態４では、第二精留塔が、図４において５４２で示すセクションと、５４１で示すセクションとの２つのセクションから構成されている。第二精留塔の第一セクション５４１の塔底部には、第二セクション５４２の塔頂部から、配管４１を通じてガスが供給される。一方、第二セクション５４２の塔頂部には、第一セクション５４１の塔底部から、配管４２と還流液ポンプ３０を経由して、流体が供給される。
中間部ガス導出配管１５４は第二精留塔の上部５４１の中間部から中間部ガスを導出させ、凝縮器ガス導出配管１４と合流する。