(57)【要約】【課題】  装置の構成機器を増やすことなく、より簡単な構成で、しかも、動力原単位を更に低減することができる窒素製造方法及び装置を提供する。【解決手段】  原料空気を昇圧する原料空気圧縮機１１と、昇圧後の原料空気を冷却する冷却器（アフタークーラー）と、冷却後の原料空気を精製する吸着器１３ａ，１３ｂと、精製後の原料空気を断熱膨張させる膨張タービン１４と、断熱膨張後の原料空気を露点付近まで冷却する熱交換器１５と、冷却後の原料空気を酸素富化液と窒素ガスとに分離する精留塔１６及び該精留塔１６の上部に設けられた凝縮器１７と、該精留塔１６で分離した少なくとも窒素ガスの一部を製品として採取する製品採取経路２１と、運転に必要な寒冷を外部から注入する寒冷注入経路２３とを備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料空気圧縮機で昇圧して冷却器で２５〜４５℃に冷却した原料空気を吸着器で精製し、熱交換器で露点付近まで冷却した後、凝縮器を上部に備えた精留塔に導入し、該精留塔での蒸留操作によって原料空気を精留塔下部の酸素富化液と精留塔上部の窒素ガスとに分離し、少なくとも前記窒素ガスの一部を前記熱交換器で昇温後に製品として採取するとともに、運転に必要な寒冷を外部から液化ガスを注入することにより得る窒素製造方法において、前記吸着器から導出した原料空気の全量を膨張タービンで断熱膨張させてから前記熱交換器に導入することを特徴とする窒素製造方法。
【請求項２】
前記膨張タービンは、前記原料空気圧縮機に一体に組み込まれていることを特徴とする請求項１記載の窒素製造方法。
【請求項３】
前記製品として採取する窒素ガスを、前記原料空気圧縮機と一体に組み込まれた製品窒素圧縮機で昇圧することを特徴とする請求項１記載の窒素製造方法。
【請求項４】
前記精留塔下部の酸素富化液を減圧して気液分離した後、分離液の一部を系外に抜き出すとともに、分離液の残部を前記凝縮器に導入することを特徴とする請求項１記載の窒素製造方法。
【請求項５】
原料空気を昇圧する原料空気圧縮機と、昇圧後の原料空気を２５〜４５℃に冷却する冷却器と、冷却後の原料空気を精製する吸着器と、精製後の原料空気の全量を断熱膨張させる膨張タービンと、断熱膨張後の原料空気を露点付近まで冷却する熱交換器と、冷却後の原料空気を蒸留操作によって塔下部の酸素富化液と塔上部の窒素ガスとに分離する精留塔及び該精留塔の上部に設けられた凝縮器と、該精留塔で分離した少なくとも前記窒素ガスの一部を前記熱交換器で昇温後に製品として採取する製品採取経路と、運転に必要な寒冷を得るために外部から液化ガスを注入する寒冷注入経路とを備えたことを特徴とする窒素製造装置。
【請求項６】
前記膨張タービンは、前記原料空気圧縮機に一体に組み込まれており、該膨張タービンで発生する動力を原料空気圧縮機の動力の一部として回収するように形成されていることを特徴とする請求項５記載の窒素製造装置。
【請求項７】
前記窒素ガスを製品として採取する製品採取経路は、前記原料空気圧縮機と一体に組み込まれた製品窒素圧縮機を備えていることを特徴とする請求項５記載の窒素製造装置。
【請求項８】
前記精留塔下部の酸素富化液を減圧する減圧弁と、減圧後の酸素富化液を気液分離する気液分離器と、該気液分離器で分離した分離液の一部を系外に抜き出す液抜出経路と、分離液の残部を前記凝縮器に導入する経路とを備えたことを特徴とする請求項５記載の窒素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒素製造方法及び装置に関し、詳しくは、圧縮，精製，冷却した原料空気を単精留塔に導入して低温蒸留することにより、少なくとも窒素ガスを製品として採取する窒素製造方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業的に窒素を製造する方法として、空気を原料としてこれを圧縮，精製，冷却して液化し、その組成分をその沸点差によって精留分離する空気液化分離方法が多く採用されている。例えば、半導体の製造においては、主に毎時数千ｍ３程度の窒素ガスが多く用いられるために、単精留塔を用いた空気分離装置（以後、単に窒素製造装置という）が多く採用されている。
【０００３】
この窒素製造装置の最も基本的なプロセスにおいて、原料空気圧縮機で所定の圧力まで昇圧された原料空気は、アフタークーラーで４０℃程度に冷却され、さらにフロン冷凍機で約５〜１０℃まで冷却された後、ゼオライト等を用いた吸着器（ＭＳ吸着器）に導入され、原料空気に同伴される水分、二酸化炭素が吸着除去されることによって精製される。
【０００４】
精製された原料空気は、コールドボックス内に導入され、主熱交換器で戻りガスと熱交換を行って略液化温度まで冷却された後、精留塔の下部に導入される。精留塔に導入された原料空気は、低温蒸留（精留）操作によって塔上部に窒素ガスが分離し、この窒素ガスの一部が主熱交換器を通して常温となり、製品窒素ガスとして採取される。前記窒素ガスの残部は、凝縮器で液化されて精留塔の還流液となる。また、塔底部に分離した液体空気（酸素富化液）は、減圧弁を経て前記凝縮器に導入され、気化した後に前記主熱交換器で常温まで昇温され、一部が前記ＭＳ吸着器の再生ガスに用いられる。一方、コールドボックスの外部に設置された液化窒素貯槽からは、液化窒素が精留塔の上部に供給され、侵入熱等に対応して精留塔等の低温での操作を維持するために必要となる冷熱が供給される（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
このプロセスでは、製品窒素圧力に、プロセス内の圧力損失を加えた圧力が原料空気に必要である。例えば、製品窒素ガス圧力が０．８ＭＰａ（８バール（ｂａｒ））、以下、特記無きときには絶対圧を表す。）の場合、原料空気圧縮機の吐出圧力は、０．９ＭＰａ（９ｂａｒ）程度にする必要がある。この場合、製品窒素圧縮機が不要となり、装置としてはシンプルな構成となる。しかし、このプロセスでは、最終的に廃ガスとなる原料空気をも圧縮しており、製品窒素を得るための動力（以後、動力原単位）が大きくなる。また、精留塔の運転圧力も比較的高いため、精留における酸素−窒素の分離がしにくく、製品窒素を採取するための原料空気量を多く必要とする点からも、動力原単位が大きくなるという欠点がある。
【０００６】
この基本的な窒素製造装置に対して、動力原単位等の改善に関する提案が多くなされている。その最も簡単な改良は、精留塔の運転圧力を下げ、製品窒素ガスのみ所定の圧力まで昇圧するプロセスである。これにより、原料空気圧縮機の吐出圧力を下げることができるので、その動力を大きく削減することが可能である。さらに、精留塔の圧力が下がり、精留における酸素−窒素の分離が進むので、精留塔収率（採取可能製品窒素量／原料空気量）も改善することができ、必要な原料空気が減少するので、その点からも原料空気圧縮機の動力が更に削減される（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００７】
このプロセスでは、原料空気圧縮機の吐出圧力を下げるほど動力原単位を下げることができる。しかし、前処理設備であるフロン冷凍機、ＭＳ吸着器等や、その周辺配管は運転圧力が下がるほど大型となる。これは、低圧であるほど原料空気密度が小さいので、機器配管の圧力損失を適切な範囲とするためである。また、原料空気圧力の低減に伴って空気中の水分の分圧が増えるので、フロン冷凍機に必要な性能及びＭＳ吸着器に必要な吸着剤が増え、この吸着剤の再生エネルギーも多く必要となる。
【０００８】
この理由により、原料空気圧縮機の吐出圧力は、最低でも０．５５ＭＰａ（５．５ｂａｒ）程度とする場合が多く、０．４５ＭＰａ（４．５ｂａｒ）程度が現実的には下限であった。換言すると、０．４５ＭＰａ（４．５ｂａｒ）程度で運転するためには、ＭＳ吸着器の大型化を避け、その再生エネルギーを低減するために、原料空気を低温まで冷却して同伴する水分量を減少させる必要があり、フロン冷凍機の設置が不可欠であった。
【０００９】
更に動力原単位を下げるため、精留塔の収率を改善する方法も多く提案されている。つまり、精留塔の収率を改善するため、精留塔下部蒸化器、塔頂凝縮器を追加し、精留塔の上昇ガス及び下降液の流量を増加させる提案である。このプロセスでは、常温となった空気組成の廃ガスを昇圧後、原料空気と共に系を循環させることで精留塔の収率が向上し、製品の動力原単位が改善される。このプロセスでは、廃ガスを循環させる圧縮機が酸素仕様とならないように、新たな精留塔を追加し、主となる精留塔下部の液体空気を空気組成の廃ガスとする必要があり、構成機器の増加、装置価格の上昇は避けられなかった（例えば、特許文献２，３参照。）。
【００１０】
動力原単位を改善するための他の方法として、従来破棄されていた廃ガスから製品窒素を採取する精留塔を追加することにより、装置全体としての製品収率を改善し、これによって動力原単位を改善する提案がある。例えば、精留塔を２塔用いた窒素製造装置についての提案がある。このプロセスでは、第一の精留塔から製品窒素の約７０％を採取し、第一の精留塔の廃ガスを原料とした第二の精留塔から製品窒素の約３０％を採取するようにしている。この結果、原料空気量の約６０％を製品窒素として採取できる装置となっている。しかし、このプロセスでは、複数の精留塔が必要であり、装置価格の上昇は避けることができない（例えば、特許文献４参照。）。
【００１１】
動力原単位を改善する他の方法として、装置の構成機器を削減する提案がある。具体的には、圧縮機で所定の圧力まで昇圧され、冷却水で４０℃程度まで冷却された原料空気を更に冷却する冷凍機を削減するプロセスの提案である。この提案により、原料空気中の水分、二酸化炭素の吸着除去は、４０℃程度で行う必要があるが、吸着器の操作条件の改善により運転可能であり、その吸着温度が１０〜４５℃の場合の例が公開されている（例えば、特許文献５参照。以下、この方式で用いる吸着器をノンフロン吸着器という）。
【００１２】
しかし、この提案では、ノンフロン吸着器を出る原料空気は、吸着熱によって６０℃程度まで昇温されるために、一旦４０℃程度まで冷却した後、主熱交換器に導入する必要がある。一般的に原料空気温度が高いほど、原料空気に同伴される水分は増加する。つまり、原料空気温度が高いほどＭＳ吸着熱による温度上昇は大きくなる。
【００１３】
この冷凍機の削減によって動力原単位は改善され、更に装置価格、装置設置面積削減の効果が期待できる。しかも削減される冷凍機には代替フロンを含むフロン冷媒が用いられている場合が多く、昨今問題となっているフロン冷媒による環境問題に対応できる装置でもある。しかし、ＭＳ吸着器と主熱交換器との間に新たに原料空気予冷器が必要となる。
【特許文献１】実用新案登録第３０３８６５６号公報
【特許文献２】特許第２８１０８１９号公報
【特許文献３】特許第２８７５２０６号公報
【特許文献４】特開２００３−１５６２８４号公報
【特許文献５】特許第３４１６３９１号  公報
【非特許文献１】W.H.ISALSKI著「SEPARATION OF GASES」１９８９年発行、Ｐ．５６〜Ｐ．５９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
このように、基本的なプロセスに対して様々な改善を試みることによって動力原単位が改善されている。しかし、循環プロセスの追加や、精留塔の追加は、動力原単位は低減させることができるものの、装置価格の上昇を招くという大きな問題があった。
【００１５】
そこで本発明は、装置の構成機器を増やすことなく、より簡単な構成で、しかも、動力原単位を更に低減することができる窒素製造方法及び装置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】
【００１６】
上記目的を達成するため、本発明の窒素製造方法は、原料空気圧縮機で昇圧され、冷却器で２５〜４５℃に冷却された原料空気をノンフロン吸着器で精製し、熱交換器で露点付近まで冷却した後、凝縮器を上部に備えた精留塔に導入し、該精留塔での蒸留操作によって原料空気を精留塔下部の酸素富化液と精留塔上部の窒素ガスとに分離し、少なくとも前記窒素ガスの一部を前記熱交換器で昇温後に製品として採取するとともに、運転に必要な寒冷を得るために外部から液化ガスを注入する窒素製造方法において、前記吸着器から導出した原料空気の全量を膨張タービンで断熱膨張させてから前記熱交換器に導入することを特徴とし、さらに、前記膨張タービンは、前記原料空気圧縮機に一体に組み込まれており、該膨張タービンで発生する動力を原料空気圧縮機の動力の一部として回収することを特徴としている。
【００１７】
また、前記製品として採取する窒素ガスを前記原料空気圧縮機と一体に組み込まれた製品窒素圧縮機で昇圧すること、前記精留塔下部の酸素富化液を減圧して気液分離した後、分離液の一部を系外に抜き出すとともに、分離液の残部を前記凝縮器に導入することを特徴としている。
【００１８】
本発明の窒素製造装置は、原料空気を昇圧する原料空気圧縮機と、昇圧後の原料空気を２５〜４５℃に冷却する冷却器であって、間接直接を問わず一切のフロン冷媒を必要としない冷媒による冷却器と、冷却後の原料空気を精製するノンフロン吸着器と、精製後の原料空気の全量を断熱膨張させる膨張タービンと、断熱膨張後の原料空気を露点付近まで冷却する熱交換器と、冷却後の原料空気を蒸留操作によって塔下部の酸素富化液と塔上部の窒素ガスとに分離する精留塔及び該精留塔の上部に設けられた凝縮器と、該精留塔で分離した少なくとも前記窒素ガスの一部を前記熱交換器で昇温後に製品として採取する製品採取経路と、運転に必要な寒冷を得るために外部から液化ガスを注入する寒冷注入経路とを備えたことを特徴とし、前記膨張タービンが前記原料空気圧縮機に一体に組み込まれており、該膨張タービンで発生する動力を原料空気圧縮機の動力の一部として回収するように形成されていることを特徴としている。
【００１９】
さらに、前記窒素ガスを製品として採取する製品採取経路に前記原料空気圧縮機と一体に組み込まれた製品窒素圧縮機を備えていること、前記冷却器が水冷式冷却器、空冷式冷却器又は水洗冷却塔のいずれかであり、昇圧後の原料空気を２５〜４５℃に冷却することを特徴とし、また、前記精留塔下部の酸素富化液を減圧する減圧弁と、減圧後の酸素富化液を気液分離する気液分離器と、該気液分離器で分離した分離液の一部を系外に抜き出す液抜出経路と、分離液の残部を前記凝縮器に導入する経路とを備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、ノンフロン吸着器での吸着熱によって昇温した原料空気を膨張タービンでの断熱膨張により冷却降温させるので、熱交換器導入前の原料空気を冷却するための空気予冷器が不要となり、装置価格の低減が図れる。さらに、膨張タービンで原料空気の全量を断熱膨張させることにより、ノンフロン吸着器等の前処理設備における運転圧力を、例えば０．５６ＭＰａ（５．６ｂａｒ）程度にできるので、ノンフロン吸着器や配管等の大型化を避けることが可能となり、精留塔の運転圧力を、例えば０．３５ＭＰａ（３．５ｂａｒ）程度に低くできるので、精留塔収率を向上させることができる。これにより装置価格の低減と原単位の向上とが図れる。
【００２１】
また、膨張タービンで発生する動力を原料空気圧縮機の動力の一部として回収することにより、原料空気圧縮機の動力を削減でき、原料空気を高い圧力に昇圧しても動力の増大を抑えることができる。さらに、製品として採取する窒素ガスを原料空気圧縮機や膨張タービンと一体に組み込まれた製品窒素圧縮機で昇圧することにより、回転機械を一つにまとめることができ、設置スペースの削減、保守スペースの共有による削減が可能である。
【００２２】
そして、精留塔下部の酸素富化液を減圧してから気液分離し、分離液の一部を系外に抜き出すことにより、原料空気中に混入した炭化水素を、最も濃縮した状態でパージすることができる。特に、本発明では精留塔の収率が高いので、炭化水素の濃縮の程度が従来よりも高くなるため、原料空気中の炭化水素組成条件によっては、保安上の液抜きが必要となる場合があるが、このようにしてパージすることにより、装置の安全性を確保でき、信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１は本発明の一形態例を示す窒素製造装置の系統図である。この窒素製造装置は、原料空気を昇圧する原料空気圧縮機１１及び該原料空気圧縮機１１に一体的に組み込まれた冷却器（インタークーラー１２ａ、１２ｂ、アフタークーラー１２ｃ）と、最終の冷却器での冷却により発生した凝縮水（ドレン）を分離排出するためのドレン分離器１２と、冷却されてドレンが分離された後の原料空気を精製する一対のノンフロン吸着器１３ａ，１３ｂと、精製後の原料空気の全量を断熱膨張させる膨張タービン１４と、断熱膨張後の原料空気を露点付近まで冷却する熱交換器１５と、冷却後の原料空気を蒸留操作によって塔下部の酸素富化液と塔上部の窒素ガスとに分離する精留塔１６及び該精留塔１６の上部に設けられた凝縮器１７と、減圧弁１８で減圧後の酸素富化液を気液分離する気液分離器１９と、前記精留塔１６で分離した窒素ガスの一部を熱交換器１５で昇温後に製品として採取する製品採取経路２１と、運転に必要な寒冷を外部からの液化ガスにより得るため、液化窒素貯槽２２から抜き出した液化窒素を精留塔上部に注入する寒冷注入経路２３とを備えている。
【００２４】
原料空気圧縮機１１は、３段の圧縮段１１ａ，１１ｂ，１１ｃを有する多段圧縮機であって、各圧縮段１１ａ，１１ｂ，１１ｃの吐出側には、圧縮熱で昇温した原料空気から圧縮熱を除去するため、前記インタークーラー１２ａ、１２ｂ、アフタークーラー１２ｃがそれぞれ設けられている。各クーラー１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、通常の多段圧縮機に備えられているものを使用することができ、水冷式又は空冷式のいずれでもよく、全てが同じ形式である必要もない。また、最終のアフタークーラー１２ｃに代えて水洗冷却塔を用いることもできる。
【００２５】
昇圧した原料空気を最終的に冷却する冷却器としてのアフタークーラー１２ｃあるいは水洗冷却塔で、原料空気はフロン冷媒を直接的あるいは間接的に一切利用しない冷媒で２５〜４５℃に冷却される。
【００２６】
ノンフロン吸着器１３ａ，１３ｂは、筒内に原料空気中の水分や二酸化炭素、炭化水素等を吸着分離するためのアルミナゲル、ゼオライト等の吸着剤を充填した、いわゆるＭＳ吸着器であって、入口側及び出口側に配設した複数の弁を所定の順序で開閉することにより、一方の吸着器が吸着（精製）工程、他方の吸着器が再生工程を行い、吸着工程と再生工経とを順次繰り返すことにより、原料空気の精製処理を連続して行えるようにしている。
【００２７】
図２は、圧力が０．５６ＭＰａ（５．６ｂａｒ）のときの空気中の飽和水分量を示す図である。一般的に、空気中の飽和水分量は、２５℃程度から急激に上昇する。つまりノンフロン吸着器入口温度が２５℃を超えると、ＭＳ吸着器に同伴される水分量が急激に上昇し、それに伴い水分の吸着熱による温度上昇幅が急激に大きくなる。したがって、冷却器出口の冷却温度、すなわち、ノンフロン吸着器入口における原料空気温度が２５℃より高い場合は、吸着器出口の原料空気温度は吸着熱により十分に上昇するので、次に導入される膨張タービン１４で断熱膨張した後の原料空気の温度が氷点下となることなく常温となり、低温用配管材料の選定や断熱材等による特別な養生の必要もなくなる。
【００２８】
前記膨張タービン１４は、前記原料空気圧縮機１１に一体に組み込まれており、該膨張タービン１４の膨張タービンインペラと、第３圧縮段１１ｃの圧縮段インペラとが同一のピニオン軸１１ｅに設置され、膨張タービン１４で発生する動力を第３圧縮段１１ｃの動力の一部として回収するように形成されている。なお、各ピニオン軸１１ｅ，１１ｆがブルギアを通じて機械的に連結している多段圧縮機であっても同様であり、膨張タービン１４で発生する動力を原料空気を昇圧するための各圧縮段インペラを駆動する動力の一部として回収することができる。
【００２９】
経路３１からフィルターを介して吸引された所定量の原料空気、例えば６１６０Ｎｍ３／ｈの原料空気は、上述のように構成された原料空気圧縮機１１の各圧縮段１１ａ，１１ｂ，１１ｃで圧縮されながら各クーラー１２ａ，１２ｂ，１２ｃで冷却水等により圧縮熱がそれぞれ除去され、所定圧力、例えば約０．５６ＭＰａ（５．６ｂａｒ）で、所定温度、例えば４０℃（３１３Ｋ）程度の昇圧原料空気となる。
【００３０】
昇圧原料空気は、ドレン分離器１２でドレンが分離除去された後、吸着工程にある一方の吸着器１３ａに導入され、原料空気中の水分、二酸化炭素及び炭化水素が吸着剤により吸着除去されて精製原料空気となり、同時に吸着熱によって、例えば６０℃（３３３Ｋ）まで昇温する。なお、このとき、他方の吸着器１３ｂは、再生工程を行っている。
【００３１】
精製原料空気は、その全量が経路３２を通って膨張タービン１４に導入され、所定圧力、例えば約０．３８ＭＰａ（３．８ｂａｒ）に断熱膨張し、温度も３７℃（３１０Ｋ）に降温する。膨張タービン１４から流出した原料空気は、経路３３を通り、真空又はパーライト粉末等を充填した断熱構造を有するコールドボックス２４内に導入され、熱交換器１５で、後述する低温の製品窒素ガス及び廃ガスと熱交換することにより、露点付近の−１６６℃（１０７Ｋ）まで冷却される。
【００３２】
熱交換器１５で冷却された原料空気は、経路３４を通って精留塔１６の下部に上昇ガスとして導入される。精留塔１６内では、前記上昇ガスと、凝縮器１７から還流液として上部に導入される液化窒素とが向流接触することにより低温蒸留操作が行われ、塔上部側ほど窒素組成の多いガスとなり、最上部には製品組成となった窒素ガスが濃縮分離する。
【００３３】
精留塔上部からは、経路３５に窒素ガスが抜き出されて経路３６と経路３７とに二分され、一方の経路３６に分岐した窒素ガスは、凝縮器１７で液化して液化窒素となり、経路３８を通って精留塔１６の頂部に導入され、塔内を下降する還流液となる。他方の経路３７に分岐した３０００Ｎｍ３／ｈの窒素ガスは、熱交換器１５で原料空気と熱交換を行うことによって常温付近まで昇温し、前記製品採取経路２１を通り、必要に応じて設けられる製品窒素圧縮機２５で所定圧力に昇圧されるとともにアフタークーラー２６で圧縮熱を除去された後、製品窒素ガスとして採取される。なお、凝縮器１７に向かう窒素ガスと、製品として採取する窒素ガスとにおける精留塔１６からの抜き出しを別の経路で行うこともでき、両窒素ガスの組成が異なる位置から抜き出すようにしてもよい。また、凝縮器を精留塔上部に一体に組み込むこともできる。
【００３４】
還流液として導入された液化窒素は、精留塔１６を下降しながら上昇ガスと向流接触し、徐々に酸素組成の多い流体となり、精留塔下部では、酸素が４２％程度に濃縮された酸素富化液となる。この酸素富化液は、塔底部から経路３９に抜き出され、減圧弁１８で減圧された後、経路４０を通って気液分離器１９に導入される。
【００３５】
気液分離器１９で分離したガス（酸素富化ガス）は、上部から経路４１に抜き出されて廃ガスとなり、底部に分離した分離液は経路４２に抜き出され、その一部が経路４３に分岐して系外に抜き出される。残部の酸素富化液は、経路４４を通って凝縮器１７に導入され、前記窒素ガスを液化するための寒冷源となり、自身は気化して酸素富化ガスとなる。この酸素富化ガスは、経路４５に流出し、経路４１の廃ガスに合流して経路４６を通り、熱交換器１５で原料空気と熱交換して常温まで昇温し、経路４７に廃ガスとして流出する。この廃ガスの一部は、加熱器２７及びバイパス弁２８を備えた経路４８に分岐し、前記ノンフロン吸着器の再生ガスとして用いられる。
【００３６】
装置の運転に必要な寒冷は、液化窒素貯槽２２内の液化窒素を調節弁２９で流量調節しながら前記寒冷注入経路２３を通して精留塔１６の上部に導入することにより補給される。なお、製品窒素ガスと同程度の仕様の液化窒素があり、所定の圧力がある場合には、図１に示すように、精留塔１６の頂部に導入することができるが、液化窒素中の不純物が多い場合や、液化窒素の圧力が低い場合は、精留塔１６の下部、あるいは、減圧弁１８の二次側に導入するようにしても装置に必要な寒冷を得ることができる。また、寒冷源としては、液化窒素だけでなく、液化空気等の液化ガスを使用することが可能である。
【００３７】
さらに、図３に示すように、前記製品窒素圧縮機２５及びアフタークーラー２６は、原料空気圧縮機１１と一体に組み込むことができ、製品窒素圧縮用のインペラと、原料空気圧縮用のインペラ又は膨張タービンインペラとを同一のピニオン軸１１ｇに設けたり、各圧縮段（窒素も含む）１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，２５及び膨張タービン１４の各ピニオン軸１１ｅ，１１ｆ，１１ｇをブルギアを通じて機械的に連結したりすることができる。これにより、製品窒素ガスを昇圧して圧送する必要があるときでも、窒素製造装置における回転機械を一つにまとめることができる。このとき、原料空気圧縮機とは別に、膨張タービンと製品窒素圧縮機とを一体化することもできる。製品窒素ガスを昇圧する必要のないときは、製品窒素圧縮機２５が不要であることは当然である。
【００３８】
また、精留塔１６の下部から抜き出されて減圧された酸素富化液は、減圧によって一部が気化した状態のまま気液分離することなく全量を凝縮器１７に導入することもできる。但し、原料空気中に混入した炭化水素及び原料空気中の酸素分は、気液分離器１９の液部分に最も濃縮された状態となり、精留塔１６の収率が高いときには、これらの濃縮の程度が従来の窒素製造装置に比較して大きくなるので、装置の安全を確保するため、運転条件に応じて気液分離器１９の分離液の一部を装置外部にパージが必要となる場合もある。
【００３９】
このように形成した窒素製造装置は、機器構成が、原料空気圧縮機１１、吸着器１３ａ，１３ｂを主とする前処理設備、コールドボックス２４であり、コールドボックス２４内の低温機器も、主熱交換器１５、精留塔１６及び凝縮器１７であり、これらに必要に応じて製品窒素圧縮機２５や気液分離器１９を設置するだけであるから、深冷分離法を用いた単精留塔装置としては最小の機器のみで構成することができ、少ないスペースで装置の設置や保守が可能となる。
【００４０】
本発明は、特許第３４１６３９１号に記載された前処理方法及び装置（ノンフロン吸着器）を適用することにより、吸着器の上流にフロン冷凍機等を設置することなく、４５℃の原料空気からも水分、二酸化炭素を確実に除去することができ、装置の設置スペース、装置価格の削減及び日常の保守費用の低減が図れる。従って、本発明は、直接、間接を問わず、代替フロンを含む一切のフロン冷媒を必要とせず、環境問題にも対応した窒素製造方法及び装置である。なお、ここでいうフロンとは、特定フロンＣＦＣ類及びその代替フロンであるＨＣＦＣ類、ＨＦＣ類を含む、オゾン破壊能力或いは地球温暖化能力を持つフロンを表す。
【００４１】
さらに、ノンフロン吸着器からの原料空気を減圧する膨張タービン１４を原料空気圧縮機１１と一体に製作することにより、設置スペースの削減、保守スペースの共有化等の効果が得られる。また、多段圧縮機における圧縮段の一部を製品窒素ガスの圧縮に用いることもでき、原料空気圧縮機１１、膨張タービン１４及び製品窒素圧縮機２５を一体とすることが可能であり、装置の設置スペース、保守スペースをより小さくすることができるとともに、日常の保守が必要な回転機械を１台のみとすることができるので、保守作業も大幅に軽減することができる。
【００４２】
また、本発明のプロセスにおける運転圧力は、例えば、原料空気圧縮機１１から膨張タービン１４までを約０．５６ＭＰａ（５．６ｂａｒ）とし、精留塔１６の周辺が０．３５ＭＰａ（３．５ｂａｒ）程度にできるので、従来プロセスと比較すると、前処理装置（吸着器１３ａ，１３ｂ）及びその周辺機器の運転圧力を低くすることなく、精留塔１５の運転圧力を今までより低くすることができる。つまり、ノンフロン吸着器と精留塔との間に膨張タービン１４を設置することにより、運転圧力が高いほど小型化が可能なノンフロン吸着器と、運転圧力が低いほど収率が改善される精留塔とに対して、それぞれ相反する条件を満足させた装置の計画が可能となる。
【００４３】
しかも、ノンフロン吸着器の後段に膨張タービン１４を設置して原料空気の全量を断熱膨張させることにより、吸着器出口が吸着熱により、例えば６０℃程度に上昇した原料空気温度を、例えば４０℃以下に冷却することができる。これにより、吸着器出口側に空気予冷器を設ける必要がなくなる。逆に、吸着器入口における原料空気温度が２５℃を下回る装置に本発明を機械的に利用しても、本発明の効果は期待できない。つまり、吸着器に同伴される水蒸気水分量が少なく、吸着器における原料空気の温度上昇は小さい。そのために、原料空気を膨張タービンに導入すると、その出口温度は常温を下回るので原料空気加熱器等が必要となる。
【００４４】
加えて、膨張タービン１４の圧力差を動力の一部として回収する際に膨張タービン出口温度も低下するので、前記予冷器のような熱交換器が不要となるだけでなく、膨張タービン１４によって前後の温度差及び圧力差を原料空気圧縮機１１の動力として回収するプロセスであり、予冷器で原料空気を単に冷却する場合に比べてプロセスとしての効率がよい。換言すると、予冷器を必要とする吸着熱は、プロセス計画において解決すべき問題であるが、逆にその吸着熱を有効利用し、吸着熱によって昇温した原料空気を膨張タービンで冷却するので、空気予冷器の削減と精留塔の圧力低減の両方の効果が得られる。
【００４５】
これらのことから、本発明方法及び装置では、前記特許文献１に記載されているような基本的プロセスに比べて動力原単位を大幅に改善することが可能であり、前記特許文献２，３に記載された複雑な装置構成を必要とするプロセスに匹敵する動力原単位を得ることができる。そして、装置価格の削減や保守作業の改善等により、複雑な装置構成を必要とするプロセスに比べて全体的なコストダウンを図ることが可能である。表１に従来プロセスとの動力原単位の比較結果を示す。本発明を利用した装置は、最小限の構成機器でありながら、製品の動力原単位を最優先した前述の従来装置に匹敵する動力原単位が得られる。
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一形態例を示す窒素製造装置の系統図である。
【図２】圧力が０．５６ＭＰａ（５．６ｂａｒ）のときの空気中の飽和水分量を示す図である。
【図３】膨張タービン及び製品窒素圧縮機を一体に組み込んだ原料空気圧縮機の一例を示す系統図である。
【符号の説明】
【００４７】
１１…原料空気圧縮機、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ…圧縮段、１１ｅ，１１ｆ，１１ｇ…ピニオン軸、１２…ドレン分離器、１２ａ，１２ｂ…インタークーラー、１２ｃ…アフタークーラー、１３ａ，１３ｂ…ノンフロン吸着器、１４…膨張タービン、１５…熱交換器、１６…精留塔、１７…凝縮器、１８…減圧弁、１９…気液分離器、２１…製品採取経路、２２…液化窒素貯槽、２３…寒冷注入経路、２４…コールドボックス、２５…製品窒素圧縮機、２６…アフタークーラー、２７…加熱器、２８…バイパス弁、２９…調節弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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