(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素及び酸素製造装置を用いて、原料空気を深冷液化分離することで、窒素及び酸素を製造する窒素及び酸素製造方法であって、
圧縮、精製、及び冷却した前記原料空気を、第１精留塔において低温蒸留することで、第１窒素ガス流体と第１酸素富化液化流体とに分離する第１分離工程と、
前記第１窒素ガス流体と減圧後の前記第１酸素富化液化流体とを、第１凝縮器において間接的に熱交換させ、前記第１窒素ガス流体を凝縮液化して第１液化窒素を得るとともに、前記第１酸素富化液化流体を蒸発させて第１酸素富化ガス流体を生成する第１間接熱交換工程と、
第２精留塔において前記第１酸素富化ガス流体の一部を低温蒸留することで、第２窒素ガス流体と第２酸素富化液化流体とに精留分離する第２分離工程と、
第３精留塔において減圧後の前記第２酸素富化液化流体を低温蒸留することで、第２酸素富化ガス流体と高純度酸素液化流体とに分離する第３分離工程と、
前記第３精留塔内の底部に設けられ、かつ液相部に浸漬された第２凝縮器を用いて、前記第２窒素ガス流体と前記高純度酸素液化流体とを間接的に熱交換させることで、前記第２窒素ガス流体を凝縮液化させて、第２液化窒素を得るとともに、前記高純度酸素液化流体を蒸発させて高純度酸素ガス流体を生成する第２間接熱交換工程と、
熱交換器において熱回収された前記第１窒素ガス流体の一部を、第１製品窒素として回収する第１製品回収工程と、
前記熱交換器において熱回収された前記第２窒素ガス流体の一部を、第２製品窒素として回収する第２製品回収工程と、
液化酸素ポンプにより、前記第３精留塔の底部から導出させた前記高純度酸素液化流体の一部を液状態で加圧する酸素流体圧縮工程と、
前記液化酸素ポンプにより加圧された前記高純度酸素液化流体の一部を、前記熱交換器を通過させた後、製品酸素として回収する第３製品回収工程と、
前記熱交換器により、前記第１窒素ガス流体の一部を所定の温度まで昇温させた後、昇温した該第１窒素ガス流体の一部を膨張タービンで膨張させて、前記窒素及び酸素製造装置を冷却するための寒冷を発生させる寒冷発生工程と、
前記熱交換器の前段において、前記膨張タービンから導出される前記第１窒素ガス流体の一部を前記第２窒素ガス流体と合流させる合流工程と、
を含むことを特徴とする窒素及び酸素製造方法。
【請求項２】
窒素及び酸素製造装置を用いて、原料空気を深冷液化分離することで、窒素及び酸素を製造する窒素及び酸素製造方法であって、
圧縮、精製、及び冷却した前記原料空気を、第１精留塔において低温蒸留することで、第１窒素ガス流体と第１酸素富化液化流体とに分離する第１分離工程と、
前記第１窒素ガス流体と減圧後の前記第１酸素富化液化流体とを、第１凝縮器において間接的に熱交換させ、前記第１窒素ガス流体を凝縮液化して第１液化窒素を得るとともに、前記第１酸素富化液化流体を蒸発させて第１酸素富化ガス流体を生成する第１間接熱交換工程と、
第２精留塔において前記第１酸素富化ガス流体の一部を低温蒸留することで、第２窒素ガス流体と第２酸素富化液化流体とに精留分離する第２分離工程と、
第３精留塔において減圧後の前記第２酸素富化液化流体を低温蒸留することで、第２酸素富化ガス流体と高純度酸素液化流体とに分離する第３分離工程と、
前記第３精留塔内の底部に設けられ、かつ液相部に浸漬された第２凝縮器を用いて、前記第２窒素ガス流体と前記高純度酸素液化流体とを間接的に熱交換させることで、前記第２窒素ガス流体を凝縮液化させて、第２液化窒素を得るとともに、前記高純度酸素液化流体を蒸発させて高純度酸素ガス流体を生成する第２間接熱交換工程と、
熱交換器において熱回収された前記第１窒素ガス流体の一部を、第１製品窒素として回収する第１製品回収工程と、
前記熱交換器において熱回収された前記第２窒素ガス流体の一部を、第２製品窒素として回収する第２製品回収工程と、
液化酸素ポンプにより、前記第３精留塔の底部から導出させた前記高純度酸素液化流体の一部を液状態で加圧する酸素流体圧縮工程と、
前記液化酸素ポンプにより加圧された前記高純度酸素液化流体の一部を、前記熱交換器を通過させた後、製品酸素として回収する第３製品回収工程と、
前記熱交換器の前段において、前記第１窒素ガス流体の一部を抜き出し、膨張タービンで膨張させて、前記窒素及び酸素製造装置を冷却するための寒冷を発生させる寒冷発生工程と、
前記熱交換器の前段において、前記膨張タービンから導出される前記第１窒素ガス流体の一部を前記第２窒素ガス流体と合流させる合流工程と、
を含むことを特徴とする窒素及び酸素製造方法。
【請求項３】
前記寒冷発生工程では、前記熱交換器内に導入させた前記第１窒素ガス流体の一部を、前記熱交換器の途中から抜き出すことを特徴とする請求項１記載の窒素及び酸素製造方法。
【請求項４】
原料空気を深冷液化分離することで、窒素及び酸素を製造する窒素及び酸素製造装置であって、
前記原料空気が所定の温度となるように冷却する熱交換器と、
圧縮及び精製され、その後、前記熱交換器により冷却された前記原料空気を低温蒸留することで、第１窒素ガス流体と第１酸素富化液化流体とに分離する第１精留塔と、
前記第１窒素ガス流体の一部と前記第１酸素富化液化流体とを間接的に熱交換させることで、前記第１窒素ガス流体を液化させるとともに、前記第１酸素富化液化流体を蒸発させて第１酸素富化ガス流体を生成する第１凝縮器と、
前記第１酸素富化ガス流体の一部を低温蒸留することで、第２窒素ガス流体と第２酸素富化液化流体とに精留分離する第２精留塔と、
減圧後の前記第２酸素富化液化流体を低温蒸留することで、第２酸素富化ガス流体と高純度酸素液化流体とに分離する第３精留塔と、
前記第３精留塔内の底部に配置されるとともに、前記第３精留塔内に形成された液相部に浸漬され、前記第２窒素ガス流体と前記高純度酸素液化流体とを間接的に熱交換させることで、前記第２窒素ガス流体を凝縮液化させて第２液化窒素を得るとともに、前記高純度酸素液化流体を蒸発させて高純度酸素ガス流体を生成する第２凝縮器と、
前記第１精留塔の塔頂部と接続され、前記熱交換器を通過し、該熱交換器において熱回収された前記第１窒素ガス流体の一部を第１製品窒素として導出する第１製品窒素回収ラインと、
前記第２精留塔の塔頂部と接続され、前記熱交換器を通過し、該熱交換器において熱回収された前記第２窒素ガス流体の一部を第２製品窒素として導出する第２製品窒素回収ラインと、
前記第３精留塔の底部から前記高純度酸素液化流体を導出させ、前記熱交換器を通過する製品酸素回収ラインと、
前記熱交換器の前段に位置する前記製品酸素回収ラインに設けられ、前記製品酸素回収ライン内を流れる前記高純度酸素液化流体を所定の圧力まで昇圧させる液化酸素ポンプと、
前記熱交換器内に位置する前記第１製品窒素回収ラインから分岐され、所定の温度まで昇温した前記第１窒素ガス流体の一部を導出する分岐ラインと、
前記分岐ラインと接続され、前記所定の温度まで昇温した前記第１窒素ガス流体の一部を膨張させる膨張タービンと、
一端が前記膨張タービンの導出口と接続され、他端が前記熱交換器の前段に位置する前記第２製品窒素回収ラインと接続され、前記膨張タービンを経由した前記第１窒素ガス流体と前記第２窒素ガス流体の一部とを合流させる合流用ラインと、
を有することを特徴とする窒素及び酸素製造装置。
【請求項５】
原料空気を深冷液化分離することで、窒素及び酸素を製造する窒素及び酸素製造装置であって、
前記原料空気が所定の温度となるように冷却する熱交換器と、
圧縮及び精製され、その後、前記熱交換器により冷却された前記原料空気を低温蒸留することで、第１窒素ガス流体と第１酸素富化液化流体とに分離する第１精留塔と、
前記第１窒素ガス流体の一部と前記第１酸素富化液化流体とを間接的に熱交換させることで、前記第１窒素ガス流体を液化させるとともに、前記第１酸素富化液化流体を蒸発させて第１酸素富化ガス流体を生成する第１凝縮器と、
前記第１酸素富化ガス流体の一部を低温蒸留することで、第２窒素ガス流体と第２酸素富化液化流体とに精留分離する第２精留塔と、
減圧後の前記第２酸素富化液化流体を低温蒸留することで、第２酸素富化ガス流体と高純度酸素液化流体とに分離する第３精留塔と、
前記第３精留塔内の底部に配置されるとともに、前記第３精留塔内に形成された前記高純度酸素液化流体よりなる液相部に浸漬され、前記第２窒素ガス流体と前記高純度酸素液化流体とを間接的に熱交換させることで、前記第２窒素ガス流体を凝縮液化させて第２液化窒素を得るとともに、前記高純度酸素液化流体を蒸発させて高純度酸素ガス流体を生成する第２凝縮器と、
前記第１精留塔の塔頂部と接続され、前記熱交換器を通過し、該熱交換器において熱回収された前記第１窒素ガス流体の一部を第１製品窒素として導出する第１製品窒素回収ラインと、
前記第２精留塔の塔頂部と接続され、前記熱交換器を通過し、該熱交換器において熱回収された前記第２窒素ガス流体の一部を第２製品窒素として導出する第２製品窒素回収ラインと、
前記第３精留塔の底部から前記高純度酸素液化流体を導出させ、前記熱交換器を通過する製品酸素回収ラインと、
前記熱交換器の前段に位置する前記製品酸素回収ラインに設けられ、前記製品酸素回収ライン内を流れる前記高純度酸素液化流体を所定の圧力まで昇圧させる液化酸素ポンプと、
前記熱交換器の前段に位置する前記第１製品窒素回収ラインから分岐され、前記第１窒素ガス流体の一部を導出する分岐ラインと、
前記分岐ラインと接続され、該分岐ラインを流れる前記第１窒素ガス流体の一部を膨張させる膨張タービンと、
一端が前記膨張タービンの導出口と接続され、他端が前記熱交換器の前段に位置する前記第２製品窒素回収ラインと接続され、前記膨張タービンを経由した前記第１窒素ガス流体と前記第２窒素ガス流体の一部とを合流させる合流用ラインと、
を有することを特徴とする窒素及び酸素製造装置。
【請求項６】
前記熱交換器の後段に位置する前記第２製品窒素回収ラインに設けられた窒素圧縮機と、
一端が前記第１製品窒素回収ラインの他端、及び前記第２製品窒素回収ラインの他端と接続された製品窒素回収ラインと、
を有することを特徴とする請求項４または５記載の窒素及び酸素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒素及び酸素製造方法、並びに窒素及び酸素製造装置に関し、特に、深冷式空気分離方法を用いた窒素及び酸素製造方法、並びに窒素及び酸素製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体業界では、多量の高純度窒素と同時に、少量の気体の高純度酸素を必要とする場合が多くある。従来、高純度の窒素及び酸素を製造する方法としては、空気を深冷分離する方法が一般的である。
【０００３】
特許文献１には、高純度窒素ガスと、同時に少量の気体の高純度酸素を製造する窒素及び酸素の製造装置が開示されている。特許文献１に開示された窒素及び酸素の製造装置を用いる場合、製品酸素となる気体の高純度酸素は、第３精留塔において、第２精留塔からの第２酸素富化液化流体を低温蒸留させることで得られる液状の高純度酸素を、熱交換器を通過させることで生成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５３０７０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、多量の高純度窒素と同時に、少量ではなく、より多くの気体の高純度酸素を生産したいという要望が高まってきている。
特許文献１に開示された窒素及び酸素製造装置を用いて、気体とされた高純度酸素の生産量を増加させる場合、熱交換器の性能（温度差）を維持するために、唯一の温流体である原料空気の圧力を増加させる必要がある。
このように、原料空気の圧力が増加すると、原料空気を圧縮する原料空気圧縮機の動力が大幅に増加してしまうという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、深冷式空気分離方法を用いて、動力の大幅な増加を抑制した上で、気体とされた高純度酸素の生産量を増加させることの可能な窒素及び酸素製造方法、並びに窒素及び酸素製造装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明によれば、窒素及び酸素製造装置を用いて、原料空気を深冷液化分離することで、窒素及び酸素を製造する窒素及び酸素製造方法であって、圧縮、精製、及び冷却した前記原料空気を、第１精留塔において低温蒸留することで、第１窒素ガス流体と第１酸素富化液化流体とに分離する第１分離工程と、前記第１窒素ガス流体と減圧後の前記第１酸素富化液化流体とを、第１凝縮器において間接的に熱交換させ、前記第１窒素ガス流体を凝縮液化して第１液化窒素を得るとともに、前記第１酸素富化液化流体を蒸発させて第１酸素富化ガス流体を生成する第１間接熱交換工程と、第２精留塔において前記第１酸素富化ガス流体の一部を低温蒸留することで、第２窒素ガス流体と第２酸素富化液化流体とに精留分離する第２分離工程と、第３精留塔において減圧後の前記第２酸素富化液化流体を低温蒸留することで、第２酸素富化ガス流体と高純度酸素液化流体とに分離する第３分離工程と、前記第３精留塔内の底部に設けられ、かつ液相部に浸漬された第２凝縮器を用いて、前記第２窒素ガス流体と前記高純度酸素液化流体とを間接的に熱交換させることで、前記第２窒素ガス流体を凝縮液化させて、第２液化窒素を得るとともに、前記高純度酸素液化流体を蒸発させて高純度酸素ガス流体を生成する第２間接熱交換工程と、熱交換器において熱回収された前記第１窒素ガス流体の一部を、第１製品窒素として回収する第１製品回収工程と、前記熱交換器において熱回収された前記第２窒素ガス流体の一部を、第２製品窒素として回収する第２製品回収工程と、液化酸素ポンプにより、前記第３精留塔の底部から導出させた前記高純度酸素液化流体の一部を液状態で加圧する酸素流体圧縮工程と、前記液化酸素ポンプにより加圧された前記高純度酸素液化流体の一部を、前記熱交換器を通過させた後、製品酸素として回収する第３製品回収工程と、前記熱交換器により、前記第１窒素ガス流体の一部を所定の温度まで昇温させた後、昇温した該第１窒素ガス流体の一部を膨張タービンで膨張させて、前記窒素及び酸素製造装置を冷却するための寒冷を発生させる寒冷発生工程と、前記熱交換器の前段において、前記膨張タービンから導出される前記第１窒素ガス流体の一部を前記第２窒素ガス流体と合流させる合流工程と、を含むことを特徴とする窒素及び酸素製造方法が提供される。
【０００８】
また、請求項２に係る発明によれば、窒素及び酸素製造装置を用いて、原料空気を深冷液化分離することで、窒素及び酸素を製造する窒素及び酸素製造方法であって、圧縮、精製、及び冷却した前記原料空気を、第１精留塔において低温蒸留することで、第１窒素ガス流体と第１酸素富化液化流体とに分離する第１分離工程と、前記第１窒素ガス流体と減圧後の前記第１酸素富化液化流体とを、第１凝縮器において間接的に熱交換させ、前記第１窒素ガス流体を凝縮液化して第１液化窒素を得るとともに、前記第１酸素富化液化流体を蒸発させて第１酸素富化ガス流体を生成する第１間接熱交換工程と、第２精留塔において前記第１酸素富化ガス流体の一部を低温蒸留することで、第２窒素ガス流体と第２酸素富化液化流体とに精留分離する第２分離工程と、第３精留塔において減圧後の前記第２酸素富化液化流体を低温蒸留することで、第２酸素富化ガス流体と高純度酸素液化流体とに分離する第３分離工程と、前記第３精留塔内の底部に設けられ、かつ液相部に浸漬された第２凝縮器を用いて、前記第２窒素ガス流体と前記高純度酸素液化流体とを間接的に熱交換させることで、前記第２窒素ガス流体を凝縮液化させて、第２液化窒素を得るとともに、前記高純度酸素液化流体を蒸発させて高純度酸素ガス流体を生成する第２間接熱交換工程と、熱交換器において熱回収された前記第１窒素ガス流体の一部を、第１製品窒素として回収する第１製品回収工程と、前記熱交換器において熱回収された前記第２窒素ガス流体の一部を、第２製品窒素として回収する第２製品回収工程と、液化酸素ポンプにより、前記第３精留塔の底部から導出させた前記高純度酸素液化流体の一部を液状態で加圧する酸素流体圧縮工程と、前記液化酸素ポンプにより加圧された前記高純度酸素液化流体の一部を、前記熱交換器を通過させた後、製品酸素として回収する第３製品回収工程と、前記熱交換器の前段において、前記第１窒素ガス流体の一部を抜き出し、膨張タービンで膨張させて、前記窒素及び酸素製造装置を冷却するための寒冷を発生させる寒冷発生工程と、前記熱交換器の前段において、前記膨張タービンから導出される前記第１窒素ガス流体の一部を前記第２窒素ガス流体と合流させる合流工程と、を含むことを特徴とする窒素及び酸素製造方法が提供される。
【０００９】
また、請求項３に係る発明によれば、前記寒冷発生工程では、前記熱交換器内に導入させた前記第１窒素ガス流体の一部を、前記熱交換器の途中から抜き出すことを特徴とする請求項１記載の窒素及び酸素製造方法が提供される。
【００１０】
また、請求項４に係る発明によれば、原料空気を深冷液化分離することで、窒素及び酸素を製造する窒素及び酸素製造装置であって、前記原料空気が所定の温度となるように冷却する熱交換器と、圧縮及び精製され、その後、前記熱交換器により冷却された前記原料空気を低温蒸留することで、第１窒素ガス流体と第１酸素富化液化流体とに分離する第１精留塔と、前記第１窒素ガス流体の一部と前記第１酸素富化液化流体とを間接的に熱交換させることで、前記第１窒素ガス流体を液化させるとともに、前記第１酸素富化液化流体を蒸発させて第１酸素富化ガス流体を生成する第１凝縮器と、前記第１酸素富化ガス流体の一部を低温蒸留することで、第２窒素ガス流体と第２酸素富化液化流体とに精留分離する第２精留塔と、減圧後の前記第２酸素富化液化流体を低温蒸留することで、第２酸素富化ガス流体と高純度酸素液化流体とに分離する第３精留塔と、前記第３精留塔内の底部に配置されるとともに、前記第３精留塔内に形成された液相部に浸漬され、前記第２窒素ガス流体と前記高純度酸素液化流体とを間接的に熱交換させることで、前記第２窒素ガス流体を凝縮液化させて第２液化窒素を得るとともに、前記高純度酸素液化流体を蒸発させて高純度酸素ガス流体を生成する第２凝縮器と、前記第１精留塔の塔頂部と接続され、前記熱交換器を通過し、該熱交換器において熱回収された前記第１窒素ガス流体の一部を第１製品窒素として導出する第１製品窒素回収ラインと、前記第２精留塔の塔頂部と接続され、前記熱交換器を通過し、該熱交換器において熱回収された前記第２窒素ガス流体の一部を第２製品窒素として導出する第２製品窒素回収ラインと、前記第３精留塔の底部から前記高純度酸素液化流体を導出させ、前記熱交換器を通過する製品酸素回収ラインと、前記熱交換器の前段に位置する前記製品酸素回収ラインに設けられ、前記製品酸素回収ライン内を流れる前記高純度酸素液化流体を所定の圧力まで昇圧させる液化酸素ポンプと、前記熱交換器内に位置する前記第１製品窒素回収ラインから分岐され、所定の温度まで昇温した前記第１窒素ガス流体の一部を導出する分岐ラインと、前記分岐ラインと接続され、前記所定の温度まで昇温した前記第１窒素ガス流体の一部を膨張させる膨張タービンと、一端が前記膨張タービンの導出口と接続され、他端が前記熱交換器の前段に位置する前記第２製品窒素回収ラインと接続され、前記膨張タービンを経由した前記第１窒素ガス流体と前記第２窒素ガス流体の一部とを合流させる合流用ラインと、を有することを特徴とする窒素及び酸素製造装置が提供される。
【００１１】
また、請求項５に係る発明によれば、原料空気を深冷液化分離することで、窒素及び酸素を製造する窒素及び酸素製造装置であって、前記原料空気が所定の温度となるように冷却する熱交換器と、圧縮及び精製され、その後、前記熱交換器により冷却された前記原料空気を低温蒸留することで、第１窒素ガス流体と第１酸素富化液化流体とに分離する第１精留塔と、前記第１窒素ガス流体の一部と前記第１酸素富化液化流体とを間接的に熱交換させることで、前記第１窒素ガス流体を液化させるとともに、前記第１酸素富化液化流体を蒸発させて第１酸素富化ガス流体を生成する第１凝縮器と、前記第１酸素富化ガス流体の一部を低温蒸留することで、第２窒素ガス流体と第２酸素富化液化流体とに精留分離する第２精留塔と、減圧後の前記第２酸素富化液化流体を低温蒸留することで、第２酸素富化ガス流体と高純度酸素液化流体とに分離する第３精留塔と、前記第３精留塔内の底部に配置されるとともに、前記第３精留塔内に形成された前記高純度酸素液化流体よりなる液相部に浸漬され、前記第２窒素ガス流体と前記高純度酸素液化流体とを間接的に熱交換させることで、前記第２窒素ガス流体を凝縮液化させて第２液化窒素を得るとともに、前記高純度酸素液化流体を蒸発させて高純度酸素ガス流体を生成する第２凝縮器と、前記第１精留塔の塔頂部と接続され、前記熱交換器を通過し、該熱交換器において熱回収された前記第１窒素ガス流体の一部を第１製品窒素として導出する第１製品窒素回収ラインと、前記第２精留塔の塔頂部と接続され、前記熱交換器を通過し、該熱交換器において熱回収された前記第２窒素ガス流体の一部を第２製品窒素として導出する第２製品窒素回収ラインと、前記第３精留塔の底部から前記高純度酸素液化流体を導出させ、前記熱交換器を通過する製品酸素回収ラインと、前記熱交換器の前段に位置する前記製品酸素回収ラインに設けられ、前記製品酸素回収ライン内を流れる前記高純度酸素液化流体を所定の圧力まで昇圧させる液化酸素ポンプと、前記熱交換器の前段に位置する前記第１製品窒素回収ラインから分岐され、前記第１窒素ガス流体の一部を導出する分岐ラインと、前記分岐ラインと接続され、該分岐ラインを流れる前記第１窒素ガス流体の一部を膨張させる膨張タービンと、一端が前記膨張タービンの導出口と接続され、他端が前記熱交換器の前段に位置する前記第２製品窒素回収ラインと接続され、前記膨張タービンを経由した前記第１窒素ガス流体と前記第２窒素ガス流体の一部とを合流させる合流用ラインと、を有することを特徴とする窒素及び酸素製造装置が提供される。
【００１２】
また、請求項６に係る発明によれば、前記熱交換器の後段に位置する前記第２製品窒素回収ラインに設けられた窒素圧縮機と、一端が前記第１製品窒素回収ラインの他端、及び前記第２製品窒素回収ラインの他端と接続された製品窒素回収ラインと、を有することを特徴とする請求項４または５記載の窒素及び酸素製造装置が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、深冷式空気分離方法を用いて、深冷式空気分離方法を用いて、動力の大幅な増加を抑制した上で、気体とされた高純度酸素の生産量を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態の窒素及び酸素製造装置の概略構成を示す系統図である。
【図２】取得された製品窒素の量を１００とした場合の実施例の窒素及び酸素製造装置から得られた気体の製品酸素の量と、合計動力（原料空気圧縮機及び窒素ガス圧縮機の合計の動力）と、の関係を示すグラフ、並びに取得された製品窒素の量を１００とした場合の比較例の窒素及び酸素製造装置から得られた気体の製品酸素の量と、合計動力（原料空気圧縮機及び窒素ガス圧縮機の合計の動力）と、の関係を示すグラフを示す図である。
【図３】比較例の窒素及び酸素製造装置の概略構成を示す系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明を適用した実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の実施の形態の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の窒素及び酸素製造装置の寸法関係とは異なる場合がある。
【００１６】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態の窒素及び酸素製造装置の概略構成を示す系統図である。
図１を参照するに、本実施の形態の窒素及び酸素製造装置１０は、原料空気を深冷液化分離することで、窒素及び酸素を製造する装置である。
窒素及び酸素製造装置１０は、フィルター１１と、  原料空気供給用ライン１２と、原料空気圧縮機１４と、アフタークーラー１６と、精製器１７と、減圧弁１８，２６，４４，５３と、主熱交換器１９と、第１精留塔２２と、ライン２４，３１，３３，３５，３８，４１，５１，５６，５８，６３，６５，７３と、第１凝縮器２８と、第１製品窒素回収ライン３６と、第２精留塔４６と、第２製品窒素回収ライン４８と、第３精留塔５５と、製品酸素回収ライン５６と、液化酸素ポンプ５７と、第２凝縮器６１と、過冷器６７と、製品窒素回収ライン７１と、窒素ガス圧縮機６９と、製品窒素回収ライン７１と、分岐ライン７５と、膨張タービン７７と、合流用ライン７９と、を有する。
【００１７】
フィルター１１は、大気中に存在する原料空気を窒素及び酸素製造装置１０内に取り込む位置に設けられている。フィルター１１は、原料空気供給用ライン１２の一端と接続されている。フィルター１１は、原料空気に含まれる大型の不純物を除去する。
原料空気供給用ライン１２は、その他端が第１精留塔２２の下部と接続されている。原料空気供給用ライン１２の一部は、主熱交換器１９内に収容されている。原料空気供給用ライン１２には、フィルター１１を通過した原料空気が供給される。
【００１８】
原料空気圧縮機１４は、フィルター１１の後段に位置する原料空気供給用ライン１２に設けられている。原料空気圧縮機１４は、フィルター１１を通過した原料空気を所定の圧力まで昇圧させる。
アフタークーラー１６は、原料空気圧縮機１４の後段に位置する原料空気供給用ライン１２に設けられている。アフタークーラー１６は、所定の圧力まで昇圧された原料空気の圧縮熱を除去する機能を有する。
【００１９】
精製器１７は、アフタークーラー１６の後段に位置する原料空気供給用ライン１２に設けられている。精製器１７には、圧縮熱が除去された原料空気が導入され、原料空気に含まれる水蒸気及び二酸化炭素等の不純物を除去する。不純物が除去された原料空気は、主熱交換器１９に導入される。
減圧弁１８は、主熱交換器１９と第１精留塔２２との間に位置する原料空気供給用ライン１２に設けられている。減圧弁１８は、主熱交換器１９を経由した原料空気の圧力を減圧させる。減圧させられた原料空気は、第１精留塔２２の下部に導入される。
【００２０】
主熱交換器１９は、精製器１７と第１精留塔２２との間に位置する原料空気供給用ライン１２に設けられている。主熱交換器１９は、不純物が除去された原料空気を所定温度となるように冷却する。冷却された原料空気は、減圧弁１８を介して、第１精留塔２２の下部に導入される。
第１精留塔２２は、冷却された原料空気を低温蒸留することで、第１精留塔２２の塔頂部に濃縮される第１窒素ガス流体と、第１精留塔２２の塔底部に濃縮される第１酸素富化液化流体と、に分離させる。
【００２１】
ライン２４は、その一端が第１精留塔２２の下端と接続されており、他端が第１凝縮器２８の下端と接続されている。ライン２４は、第１精留塔２２の下端から導出した第１酸素富化液化流体を第１凝縮器２８の下端に導入する。
【００２２】
減圧弁２６は、ライン２４に設けられている。減圧弁２６は、第１酸素富化液化流体を所定の圧力に減圧する。
第１凝縮器２８では、第１精留塔２２の塔頂部に位置し、ライン３３，３５を介して第１凝縮器２８内に導入される第１窒素ガス流体と、第１酸素富化液化流体の一部と、の間接熱交換が行われる。
これにより、第１窒素ガス流体は、液化して第１液化窒素流体となり、第１酸素富化液化流体は、ガス化して第１酸素富化ガス流体となる。
【００２３】
ライン３１は、その一端が第１凝縮器２８と接続されており、他端が第１精留塔２２の塔頂部と接続されている。第１凝縮器２８から導出された第１液化窒素流体は、ライン３１を介して、第１精留塔２２内に導入される。これにより、第１液化窒素流体は、第１精留塔２２内において、還流液となる。
【００２４】
ライン３３は、一端が第１精留塔２２の塔頂部と接続されており、他端がライン３５の一端、及び第１製品窒素回収ライン３６の一端と接続されている。ライン３３は、第１精留塔２２の塔頂部から第１窒素ガス流体を導出する。
第１精留塔２２の塔頂部から導出された第１窒素ガス流体の一部は、第１製品窒素回収ライン３６に供給される。そして、第１窒素ガス流体の残部は、ライン３５を介して、第１凝縮器２８内に導入される。
ライン３５は、その他端が第１凝縮器２８と接続されている。
【００２５】
第１製品窒素回収ライン３６は、その一部が主熱交換器１９内を通過している。第１製品窒素回収ライン３６の他端は、第２製品窒素回収ライン４８の他端、及び製品窒素回収ライン７１の一端と接続されている。主熱交換器１９を通過した第１窒素ガス流体は、製品窒素回収ライン７１に導出され、第１製品窒素として回収される。
ライン３８は、その一端が第１凝縮器２８の上端と接続されており、他端が第２精留塔４６の下部と接続されている。ライン３８は、第１凝縮器２８の上端から導出した第１酸素富化ガス流体を、第２精留塔４６の下部に導入する。
【００２６】
ライン４１は、第１精留塔２２と減圧弁２６との間に位置するライン２４から分岐されたラインである。ライン４１の他端は、第２精留塔４６の下部と接続されている。ライン２４は、ライン２４から導出した第１酸素富化液化流体の一部を、減圧弁４４を介して、第２精留塔４６に導入する。
減圧弁４４は、ライン４１に設けられている。減圧弁４４は、第１酸素富化液化流体を減圧する。
【００２７】
第２精留塔４６は、第１酸素富化ガス流体の一部を低温蒸留することで、第２精留塔４６の塔頂部に位置する第２窒素ガス流体と、第２精留塔４６の塔底部に位置する第２酸素富化液化流体と、に精留分離する。
【００２８】
第２製品窒素回収ライン４８は、一端が第２精留塔４６の塔頂部と接続されており、一部が主熱交換器１９内を通過するように配置されている。第２製品窒素回収ライン４８の他端は、主熱交換器１９の後段に配置されており、第１製品窒素回収ライン３６の他端、及び製品窒素回収ライン７１の一端と接続されている。
第２製品窒素回収ライン４８は、第２精留塔４６の塔頂部から第２窒素ガス流体の一部を導出し、主熱交換器１９において熱回収された第２窒素ガス流体の一部を第２製品窒素として導出する。
【００２９】
ライン５１は、一端が第２精留塔４６の塔底部と接続されており、他端が第３精留塔５５の上部と接続されている。ライン５１は、その一部が過冷器６７内を通過している。
ライン５１は、第２精留塔４６内の塔底部に滞留する第２酸素富化液化流体を導出する。ライン５１は、過冷器６７及び減圧弁５３を介して、導出させた第２酸素富化液化流体を第３精留塔５５の上部に供給する。
【００３０】
減圧弁５３は、過冷器６７の下流側に位置するライン５１に設けられている。減圧弁５３は、ライン５１内を流れ、かつ過冷器６７に冷却された第２酸素富化液化流体を減圧する。減圧された第２酸素富化液化流体は、減圧弁５３の下流側に位置するライン５１により、第３精留塔５５の上部に導入される。
【００３１】
第３精留塔５５は、その塔底部に第２凝縮器６１を収容する精留塔である。第３精留塔５５は、減圧後の第２酸素富化液化流体を低温蒸留することで、第３精留塔５５の塔頂部に濃縮された第２酸素富化ガス流体と、第３精留塔５５の塔底部に濃縮された高純酸素液化流体と、に分離させる。
【００３２】
なお、第２凝縮器６１を浸漬する液相部の上方に位置する第３精留塔５５内に、図１には図示していない不純物濃縮段を設けてもよい。不純物濃縮段は、主に、酸素と酸素よりも沸点の高い不純物成分とを分離し、不純物成分を不純物濃縮段の下部に濃縮させる機能を有する。
このような不純物濃縮段は、例えば、精留段（棚）、規則充填材または不規則充填材等で構成することができる。
【００３３】
製品酸素回収ライン５６は、一端が第３精留塔５５の塔底部と接続されており、一部が主熱交換器１９内を通過している。製品酸素回収ライン５６は、第３精留塔５５から導出した高純度酸素液化流体を製品酸素として回収するためのラインである。
【００３４】
なお、一端が不純物濃縮段（図示せず）よりも上方に位置する第３精留塔５５の中部と接続され、主熱交換器１９を通過するライン（図示せず）を製品酸素回収ラインとし、図１に示す製品酸素回収ライン５６を、窒素及び酸素製造装置１０の外へ高純度酸素液化流体を抽出する抽出ラインとして利用してもよい。
これにより、第３精留塔５５の塔底部に位置する高純酸素液化流体に濃縮された状態で含まれ、酸素よりも沸点の高い不純物成分（例えば、メタン（ＣＨ４））を窒素及び酸素製造装置１０の外へ抽出することが可能となる。これにより、第３精留塔５５の塔底液中の不純物濃度を低い値に維持することができる。
【００３５】
液化酸素ポンプ５７は、主熱交換器１９の前段に位置する製品酸素回収ライン５６に設けられている。液化酸素ポンプ５７は、製品酸素回収ライン５６内を流れる高純度酸素液化流体を所定の圧力まで昇圧させる。液化酸素ポンプ５７により所定の圧力まで昇圧された高純度酸素液化流体は、主熱交換器１９に供給される。
また、昇圧された高純酸素液化流体は、主熱交換器１９により昇温されて酸素ガスとなり、製品酸素回収ライン５６の他端から製品酸素として回収される。
ライン５８は、一端が第３精留塔５５の塔頂部と接続されており、一部が過冷器６７を通過している。また、過冷器６７の後段に位置するライン５８は、主熱交換器１９を通過している。ライン５８は、第３精留塔５５の塔頂部から第２酸素富化ガス流体を導出する。
【００３６】
第２凝縮器６１は、第３精留塔５５内の塔底部に滞留する高純度酸素液化流体よりなる液相に浸漬されている。
第２凝縮器６１では、第２窒素ガス流体の一部と高純度酸素液化流体とを間接的に熱交換させる。これにより、第２窒素ガス流体は、液化して第２液化窒素流体となり、高純度酸素液化流体は、蒸発によりガス化して高純度酸素ガス流体になる。
ライン６３は、第２製品窒素回収ライン４８から分岐した分岐ラインであり、第２凝縮器６１の上部と接続されている。ライン６３は、第２製品窒素回収ライン４８内を流れる第２窒素ガス流体の一部を第２凝縮器６１内に導入する。
【００３７】
ライン６５は、一端が第２凝縮器６１の下部と接続されており、他端が第２精留塔４６の上部と接続されている。ライン６５は、第２液化窒素流体を第２精留塔４６の塔頂部に還流液として導入する。
過冷器６７は、第２製品窒素回収ライン４８の一部、ライン５１の一部、及びライン５８の一部を収容している。過冷器６７は、第２精留塔４６から抜き出した第２窒素ガスと、第３精留塔５５から抜出した第２酸素富化空気と、を用いて、第２精留塔４６の下部より抜出した第２酸素富化液化流体を冷却し、減圧弁５３での減圧時に蒸発する第２酸素富化液化流体の量を少なくして、精留効率の向上を図っている。
【００３８】
窒素ガス圧縮機６９は、主熱交換器１９の後段に位置する第２製品窒素回収ライン４８に設けられている。窒素ガス圧縮機６９は、第２製品窒素回収ライン４８を流れる第２窒素ガス流体を昇圧する。昇圧された第２窒素ガス流体は、第２製品窒素回収ライン４８を経由し、製品窒素回収ライン７１に導出される。
製品窒素回収ライン７１は、第１製品窒素回収ライン３６により導出された第１窒素ガス流体と、第２製品窒素回収ライン４８により導出された第２窒素ガス流体と、を製品窒素ガスとして回収する。
【００３９】
ライン７３は、主熱交換器１９の後段に位置するライン５８から分岐された分岐ラインであり、精製器１７と接続されている。
ライン７３は、主熱交換器１９により昇温された第２酸素富化ガス流体及び高純酸素ガス流体の残部を精製器１７に導入することで、精製器１７の再生を行う。
【００４０】
分岐ライン７５は、主熱交換器１９内に位置する第１製品窒素回収ライン３６から分岐されたラインである。分岐ライン７５は、所定の温度まで昇温した第１窒素ガス流体の一部を導出し、導出させた第１窒素ガス流体の一部を膨張タービン７７に供給するためのラインである。
膨張タービン７７は、分岐ライン７５と接続されている。膨張タービン７７は、所定の温度まで昇温した第１窒素ガス流体の一部を膨張させる。
【００４１】
合流用ライン７９は、その一端が膨張タービン７７の導出口と接続され、他端が熱交換器の前段に位置する第２製品窒素回収ライン４８と接続されている。合流用ライン７９は、膨張タービン７７を経由した第１窒素ガス流体と、第２窒素ガス流体の一部と、を合流させるためのラインである。
【００４２】
本実施の形態の窒素及び酸素製造装置１０によれば、主熱交換器１９内に位置する第１製品窒素回収ライン３６から分岐され、所定の温度まで昇温した第１窒素ガス流体（第２窒素ガス流体よりも圧力の高い中圧窒素ガス流体）の一部を導出する分岐ライン７５と、分岐ライン７５と接続され、所定の温度まで昇温した第１窒素ガス流体の一部を膨張させる膨張タービン７７と、一端が膨張タービン７７の導出口と接続され、他端が主熱交換器１９の前段に位置する第２製品窒素回収ライン４８と接続され、膨張タービン７７を経由した第１窒素ガス流体と第２窒素ガス流体（第２窒素ガス流体よりも圧力の低い低圧窒素ガス流体）の一部とを合流させる合流用ライン７９と、を有することで、主熱交換器１９に供給される唯一の温流体である原料空気の供給量を減らすことなく、主熱交換器１９内を流れる第１窒素ガス流体（第２窒素ガス流体よりも比熱の大きな窒素ガス流体）の量を減らすことが可能となる。つまり、動力の大幅な増加を抑制した上で、主熱交換器１９の温度差を十分に確保することが可能となる。
これにより、製品酸素回収ライン５６を介して、第３精留塔５５の塔底部からより多くの液状の高純度酸素を抜き出した場合でも、主熱交換器１９を用いて、主熱交換器１９の後段に位置する製品酸素回収ライン５６の他端からより多くの気体の高純度酸素（高純度酸素ガス）を回収することができる。
【００４３】
なお、図１に示す分岐ライン７５に替えて、主熱交換器１９の前段に位置する第１製品窒素回収ライン３６から分岐され、第１窒素ガス流体の一部を導出する分岐ライン（図示せず）を設けてもよい。
この場合、分岐ライン７５を用いた場合よりもやや効果が小さくなるが、従来よりも多くの気体の高純度酸素を回収することができる。
【００４４】
また、本実施の形態では、主熱交換器１９を経由後、常温の気体として製品酸素を回収する場合を例に挙げて説明したが、主熱交換器１９の手前において、液体状態とされた製品酸素を回収してもよい。また、液化酸素ポンプ５７の手前から低圧の液体状態とされた製品酸素を回収してもよい。
【００４５】
また、本実施の形態では、第１製品窒素回収ライン３６の他端、及び第２製品窒素回収ライン４８の他端と接続された製品窒素回収ライン７１を設け、製品窒素回収ライン７１を介して、第１窒素ガス流体の一部、及び第２窒素ガス流体の一部を製品窒素として回収する場合を例に挙げて説明したが、例えば、製品窒素回収ライン７１を設けることなく、第１製品窒素回収ライン３６から第１窒素ガス流体の一部を第１製品窒素として回収するとともに、第２製品窒素回収ライン４８から第２窒素ガス流体の一部を第２製品窒素として回収してもよい。
【００４６】
次に、図１を参照して、図１に示す窒素及び酸素製造装置１０を用いて、原料空気を深冷液化分離することで、窒素及び酸素を製造する本実施の形態の窒素及び酸素製造方法について説明する。
【００４７】
まず、初めに、フィルター１１を介して、原料空気供給用ライン１２内に原料空気を導入する。大気からフィルター１１を通して吸入した原料空気は、原料空気圧縮機１４により所定の圧力まで昇圧され、次いで、アフタークーラー１６において圧縮熱を除去され、その後、精製器１７に導入される。精製器１７では、原料空気に含まれる水蒸気や二酸化炭素等の不純物を除去する。
【００４８】
次いで、不純物が除去された原料空気は、主熱交換器１９に導入され、主熱交換器１９により所定温度に冷却される。
その後、冷却された原料空気は、原料空気供給用ライン１２により、第１精留塔２２の下部に導入される。
なお、第１精留塔２２、第２精留塔４６、及び第３精留塔５５内には、例えば、図示していない精留段（棚）、規則充填材、または不規則充填材等を設けてもよい。
【００４９】
そして、第１精留塔２２では、圧縮、精製、及び冷却された原料空気が低温蒸留され、第１精留塔２２の塔頂部の第１窒素ガス流体と、第１精留塔２２の塔底部内の第１酸素富化液化流体と、に分離される（第１分離工程）。
すなわち、第１精留塔２２に導入された原料空気は、第１精留塔２２内を上昇する際に、還流液である第１液化窒素流体と向流接触を行うことで、低沸点成分の組成が増加する。
また、還流液である第１液化窒素流体は、第１精留塔２２内を下降する際に、上昇ガスである原料空気と向流接触を行うことで、高沸点成分の組成が増加する。
【００５０】
これにより、第１精留塔２２の塔頂部には、原料空気よりも窒素濃度が高く、酸素濃度の低い第１窒素ガス流体が生成され、第１精留塔２２の塔底部には、原料空気よりも窒素濃度が低く、酸素濃度の高い第１酸素富化液化流体が生成される。
【００５１】
第１精留塔２２の塔頂部からライン３３を介して抜き出された第１窒素ガス流体の一部は、ライン３３内を流れ、主熱交換器１９内において、原料空気と間接熱交換を行うことによって昇温される。
そして、主熱交換器１９の後段に位置する第１製品窒素回収ライン３６内において、昇温された第１窒素ガス流体の一部と、窒素ガス圧縮機６９で昇圧された第２窒素ガス流体と、が合流し、製品窒素回収ライン７１から第１窒素ガス流体の一部を製品窒素として回収される（第１製品回収工程）。
【００５２】
また、第１窒素ガス流体の一部は、主熱交換器１９内で第１製品窒素回収ライン３６から分岐した分岐ライン７５に供給され、その後、膨張タービン７７で膨張させられることで、窒素及び酸素製造装置１０を冷却するための寒冷を発生させる（寒冷発生工程）。
次いで、主熱交換器１９の前段において、膨張タービン７７から導出される第１窒素ガス流体の一部と第２窒素ガス流体とを合流させる（合流工程）。
【００５３】
第１精留塔２２の塔頂部からライン３３に抜き出された第１窒素ガス流体の残部は、ライン３５を経由した第１凝縮器２８に導入される。
また、第１精留塔２２の塔底部に生成された第１酸素富化液化流体は、ライン２４により導出され、一部がライン４１に供給され、減圧弁２６において所定の圧力に減圧され、その後、第１凝縮器２８に導入される。
また、第１酸素富化液化流体の残部は、ライン４１を経由して、減圧弁４４において所定の圧力に減圧された後、寒冷として第２精留塔４６に導入される。
【００５４】
次いで、第１凝縮器２８では、第１窒素ガス流体と減圧後の第１酸素富化液化流体とを、間接的に熱交換させ、第１窒素ガス流体を凝縮液化して第１液化窒素を得るとともに、第１酸素富化液化流体を蒸発させて第１酸素富化ガス流体を生成する（第１間接熱交換工程）。
そして、第１液化窒素流体は、ライン３１を介して第１精留塔２２内に導入されて還流液となる。
【００５５】
第１凝縮器２８からライン３８に導出された第１酸素富化ガス流体は、第２精留塔４６の下部に導入される。第２精留塔４６では、第１酸素富化ガス流体が低温蒸留され、第２精留塔４６の塔頂部に濃縮された第２窒素ガス流体と、第２精留塔４６の塔底部に濃縮された第２酸素富化液化流体と、に分離される（第２分離工程）。
【００５６】
すなわち、第２精留塔４６に導入された第１酸素富化ガス流体は、第２精留塔４６内を上昇する際に、後述する還流液である第２液化窒素流体と向流接触を行うことで、低沸点成分の組成が増加する。また、還流液である第２液化窒素流体は、第２精留塔４６内を下降する際に、上昇ガスである第１酸素富化ガス流体と向流接触を行うことで、高沸点成分の組成が増加する。
【００５７】
これにより、第２精留塔４６の塔頂部には、第１酸素富化ガス流体よりも窒素濃度が高く、酸素濃度の低い第２窒素ガス流体が生成されるとともに、第２精留塔４６の塔底部には、第１酸素富化ガス流体よりも窒素濃度が低く、酸素濃度の高い第２酸素富化液化流体が生成される。
【００５８】
第２精留塔４６の塔頂部から第２製品窒素回収ライン４８により抜き出された第２窒素ガス流体の一部は、主熱交換器１９の前段において、合流用ライン７９を流れ、かつ膨張された第１窒素ガス流体の一部と合流後、主熱交換器１９に導入され、原料空気と間接熱交換を行うことにより昇温される。
その後、第２窒素ガス流体の一部は、窒素ガス圧縮機６９で昇圧された後、第１製品窒素回収ライン３６を流れる第１窒素ガス流体の残部と合流され、製品窒素回収ライン７１を介して、製品窒素として導出される（第２製品回収工程）。
【００５９】
第２精留塔４６の塔頂部から第２製品窒素回収ライン４８により抜き出された第２窒素ガス流体の残部は、ライン６３を介して第２凝縮器６１に導入される。第２凝縮器６１では、第２窒素ガス流体と後述する高純酸素液化流体との間接熱交換が行われ、第２窒素ガス流体が液化して第２液化窒素流体になるとともに、高純酸素液化流体の一部がガス化して高純酸素ガス流体となる（第２間接熱交換工程）。
そして、第２液化窒素流体は、ライン６５から抜き出され、第２精留塔４６の塔頂部に還流液として導入される。
【００６０】
第２精留塔４６の塔底部に生成された第２酸素富化液化流体は、ライン５１により導出され、減圧弁５３で所定の圧力に減圧された後、還流液として第３精留塔５５の塔頂部に導入される。
第３精留塔５５内では、減圧後の第２酸素富化液化流体が低温蒸留され、第３精留塔５５の塔頂部の第２酸素富化ガス流体と、第３精留塔５５の塔底部の高純酸素液化流体と、に分離される（第３分離工程）。
【００６１】
すなわち、第３精留塔５５内に還流液として導入された第２酸素富化液化流体は、第３精留塔５５内を下降する際に、第２凝縮器６１によってガス化した高純酸素ガス流体と向流接触を行うことで、高沸点成分の組成が増加する。
また、第２凝縮器６１によってガス化した高純酸素ガス流体は、第３精留塔５５内を上昇する際に、還流液である第２酸素富化液化流体と向流接触を行うことで、低沸点成分の組成が増加する。
【００６２】
これにより、第３精留塔５５内の塔頂部には、第２酸素富化液化流体よりも酸素濃度の低い第２酸素富化ガス流体が生成され、第３精留塔５５内の塔底部には、第２酸素富化液化流体よりも酸素濃度の高い高純酸素液化流体が生成される。
【００６３】
第３精留塔５５の塔頂部に生成され、ライン５８により導出された第２酸素富化ガス流体は、主熱交換器１９に導入され、昇温された後、一部が精製器１７の再生に用いられ、残部が窒素及び酸素製造装置１０の外に排出される。
【００６４】
液化酸素ポンプ５７では、第３精留塔の底部から導出させた高純度酸素液化流体の一部を液状態で加圧する（酸素流体圧縮工程）。
その後、所定の圧力まで昇圧された高純酸素液化流体は、液化酸素ポンプ５７の後段に位置する製品酸素回収ライン５６を介して、主熱交換器１９に供給され、主熱交換器１９において常温まで昇温されることで製品酸素ガスとなり、製品酸素回収ライン５６により回収される（第３製品回収工程）。
【００６５】
本実施の形態の窒素及び酸素製造方法によれば、主熱交換器１９内を流れる第１窒素ガス流体（第２窒素ガス流体よりも比熱の大きな中圧窒素ガス流体）を主熱交換器１９の外部に抜き出して、膨張タービン７７に導入することで、主熱交換器１９に供給される唯一の温流体である原料空気の供給量を減らすことなく、主熱交換器１９内を流れる第１窒素ガス流体（第２窒素ガス流体よりも比熱の大きな窒素ガス流体）の量を減らすことが可能となる。つまり、動力の大幅な増加を抑制した上で、主熱交換器１９の温度差を十分に確保することが可能となる。
これにより、製品酸素回収ライン５６を介して、第３精留塔５５の塔底部からより多くの液状の高純度酸素を抜き出した場合でも、主熱交換器１９を用いて、主熱交換器１９の後段に位置する製品酸素回収ライン５６の他端からより多くの気体の高純度酸素（高純度酸素ガス）を回収することができる。
【００６６】
なお、図１に示す分岐ライン７５に替えて、主熱交換器１９の前段に位置する第１製品窒素回収ライン３６から分岐され、第１窒素ガス流体の一部を導出する分岐ライン（図示せず）を有する酸素製造装置を用いた場合も、本実施の形態の窒素及び酸素製造方法と同様な手法により、窒素及び酸素を製造することができる。
【００６７】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００６８】
以下、実施例、参考例、及び比較例について説明するが、本発明は、下記実施例に限定されない。
【００６９】
（実施例）
実施例では、図１に示した窒素及び酸素製造装置１０を用いて、製品窒素及び製品酸素を製造するシミュレーションを行った。
図１に示す窒素及び酸素製造装置１０の各場所における流体の流量（具体的には、取得した製品窒素ガスの量を１００としたときの各ライン内を流れる流体の流量）、各ライン内の圧力、及び流体に含まれる酸素組成の各値の結果を表１に示す。
【００７０】
【表１】
0006591830.tif 000002
【００７１】
なお、表１に示す各場所の符号は、図１に示す符号と対応している。
また、表１に示す「酸素組成（体積比）」とは、原料空気を１とした際に、原料空気に含まれる酸素の割合を示している。例えば、表１に示す酸素組成が０．２０９６とは、原料空気を１とした際に０．２０９６の酸素を含む（言い換えれば、２０．９６体積％の酸素を含む）ことをいう。
【００７２】
また、実施例では、図１に示した窒素及び酸素製造装置１０を用いて、表２に示す流体の流量、及び圧力となるシミュレーションを行った際の合計動力（原料空気圧縮機１４及び窒素ガス圧縮機６９の合計の動力）を求めた。この結果を表２に示す。
表２に示す「合計動力」とは、図１に示す原料空気圧縮機１４及び窒素ガス圧縮機６９の合計の動力（言い換えれば、単位時間当たりの仕事量）を示している。表２に示す「合計動力」は、比較例において製品酸素を「３」採取するために必要な動力を１００とした場合の相対動力値である。
【００７３】
【表２】
0006591830.tif 000003
【００７４】
また、実施例では、図１に示した窒素及び酸素製造装置１０を用いて、窒素量を１００とした場合の製品酸素量の割合を増加させたときの合計動力（原料空気圧縮機１４及び窒素ガス圧縮機６９の合計の動力）の推移について調べた。
図２に、取得された製品窒素の量を１００とした場合の実施例の窒素及び酸素製造装置から得られた気体の製品酸素の量と、合計動力（原料空気圧縮機１４及び窒素ガス圧縮機６９の合計の動力）と、の関係を示すグラフを図示する。
なお、図２には、取得された製品窒素の量を１００とした場合の比較例の窒素及び酸素製造装置から得られた気体の製品酸素の量と、合計動力（原料空気圧縮機１４及び窒素ガス圧縮機６９の合計の動力）と、の関係を示すグラフも図示する。
また、図２では、製品酸素の流量が「３」の場合の比較例の動力を１００として、相対的な動力を示している。
【００７５】
（比較例）
図３は、比較例の窒素及び酸素製造装置の概略構成を示す系統図である。
ここで、図３を参照して、比較例の窒素及び酸素製造装置２００の構成について、簡単に説明する。
窒素及び酸素製造装置２００は、原料空気を深冷液化分離することで、窒素及び酸素を製造する装置である。窒素及び酸素製造装置２００は、図１に示す窒素及び酸素製造装置１０を構成する分岐ライン７５及び合流用ライン７９に替えて、分岐ライン２０１及びライン２０２を有すること以外は、窒素及び酸素製造装置１０と同様な構成とされている。
【００７６】
分岐ライン２０１は、主熱交換器１９内に配置された原料空気供給用ライン１２から分岐されたラインである。分岐ライン２０１の先端は、膨張タービン７７と接続されている。
分岐ライン２０１は、原料空気供給用ライン１２から抜き出した原料空気の一部を、膨張タービン７７に導入するためのラインである。
【００７７】
ライン２０２は、その一端が膨張タービン７７の導出口と接続されており、他端が第２精留塔４６の中部と接続されている。
つまり、比較例の窒素及び酸素製造装置２００は、主熱交換器１９内の原料空気供給用ライン１２から原料空気の一部を抜き出し、抜き出した原料空気を膨張タービン７７に供給する点が、実施例の窒素及び酸素製造装置１０とは異なる。
【００７８】
比較例では、図３に示した窒素及び酸素製造装置２００を用いて、製品窒素及び製品酸素を製造するシミュレーションを行った。
図３に示す窒素及び酸素製造装置２００の各場所における流体の流量（具体的には、取得した製品窒素ガスの量を１００としたときの各ライン内を流れる流体の流量）、各ライン内の圧力、及び流体に含まれる酸素組成の各値の結果を表３に示す。
【００７９】
【表３】
0006591830.tif 000004
【００８０】
なお、表３に示す各場所の符号は、図２に示す符号と対応している。
また、表３に示す「酸素組成（体積比）」とは、原料空気を１とした際に、原料空気に含まれる酸素の割合を示している。
【００８１】
また、比較例では、図３に示した窒素及び酸素製造装置２００を用いて、表２に示す流体の流量、及び圧力となるシミュレーションを行った際の合計動力を求めた。この結果を表２に示す。
【００８２】
（実施例及び比較例の評価のまとめ）
図１、図３、及び表２を参照するに、実施例及び比較例において、製品酸素回収ライン５６から導出される製品酸素ガスの流量を６にする場合、実施例の方が比較例よりも約２．２％（＝｛１−（１０１．５／１０３．８）｝×１００）程度合計動力が低くなることが確認できた。
図２を参照するに、気体の製品酸素の量が３よりも大きくなると、比較例の合計動力の大きさが実施例の合計動力の大きさよりも徐々に大きくなっていることが確認できた。
このことから、実施例では、合計動力の増加量を抑制した上で、気体の製品酸素の量を増加させることが可能であることが判った。
【００８３】
原料空気の一部を膨張タービン７７に入れる比較例の場合、唯一の温流体である原料空気の量が減ってしまうため、主熱交換器１９での温度差を十分に確保することが困難となる。このため、多くの液体状態の製品酸素を導出させて、主熱交換器１９において、液体状態の製品酸素を気体状態の製品酸素にすることができない。
【００８４】
一方、原料空気ではなく、比熱の小さい低圧窒素よりも比熱が大きな中圧窒素を、主熱交換器１９の途中から抜き出し、膨張タービン７７に導入させている。
このように、主熱交換器１９に供給する原料空気の量を減らすことなく、主熱交換器１９における中圧窒素の量を減らすことで、上記のような良好な結果を得ることができたと推測できる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明は、深冷式空気分離方法を用いた窒素及び酸素製造方法、並びに窒素及び酸素製造装置に適用可能である。
【符号の説明】
【００８６】
１０…窒素及び酸素製造装置、１１…フィルター、１２…原料空気供給用ライン、１４…原料空気圧縮機、１６…アフタークーラー、１７…精製器、１８，２６，４４，５３…減圧弁、１９…主熱交換器、２２…第１精留塔、２４，３１，３３，３５，３８，４１，５１，５６，５８，６３，６５，７３…ライン、２８…第１凝縮器、３６…第１製品窒素回収ライン、４６…第２精留塔、４８…第２製品窒素回収ライン、５５…第３精留塔、５６…製品酸素回収ライン、５７…液化酸素ポンプ、６１…第２凝縮器、６７…過冷器、６９…窒素ガス圧縮機、７１…製品窒素回収ライン、７５…分岐ライン、７７…膨張タービン、７９…合流用ライン
【図１】
0006591830.tif 000005
【図２】
0006591830.tif 000006
【図３】
0006591830.tif 000007