(57)【要約】【課題】装置構成を複雑化することなく、０．２８ＭＰａＧ以下の低圧製品窒素を効率よく採取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】空気を深冷液化分離して圧力が０．２８ＭＰａＧ以下の製品窒素を採取するための窒素製造方法であって、原料空気を原料空気圧縮機１１で昇圧する圧縮工程と、昇圧した原料空気中の不純物を前処理設備１２で除去して精製する精製工程と、主熱交換器１３にて精製した原料空気の一部を中間温度に冷却するとともに原料空気の残部を液化点付近まで冷却する第１，第２冷却工程と、中間温度の原料空気を膨張タービン１４で膨張させて寒冷を発生させる寒冷発生工程と、液化点付近まで冷却した原料空気と膨張した原料空気とを単精留塔１５で液化精留して窒素富化流体と酸素富化流体とに分離する精留分離工程と、前記窒素富化流体を製品窒素として採取する製品窒素採取工程とを含む。【選択図】図１
2007147113.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を深冷液化分離して圧力が０．２８ＭＰａＧ以下の製品窒素を採取するための窒素製造方法であって、原料空気を昇圧する圧縮工程と、昇圧した原料空気中の不純物を除去して精製する精製工程と、精製した原料空気の一部を中間温度に冷却する第１冷却工程と、精製した原料空気の残部を液化点付近まで冷却する第２冷却工程と、前記中間温度の原料空気を膨張させて寒冷を発生させる寒冷発生工程と、液化点付近まで冷却した前記原料空気と膨張した前記原料空気とを液化精留して窒素富化流体と酸素富化流体とに分離する精留分離工程と、前記窒素富化流体を製品窒素として採取する製品窒素採取工程とを含むことを特徴とする窒素製造方法。
【請求項２】
前記精製工程は、昇圧した原料空気を１０〜４５℃で水分吸着剤及び炭酸ガス吸着剤がそれぞれ原料空気入口側からこの順序で充填された吸着筒内に導入することにより行い、前記炭酸ガス吸着剤における炭酸ガス等温吸着容量が、原料空気温度４５℃において、炭酸ガス分圧０．１ｋＰａで０．１ｍｏｌ／ｋｇ以上、炭酸ガス分圧１．０ｋＰａで０．６ｍｏｌ／ｋｇ以上であり、かつ、原料空気温度２５℃において、炭酸ガス分圧０．１ｋＰａで０．３ｍｏｌ／ｋｇ以上、炭酸ガス分圧１．０ｋＰａで１．５ｍｏｌ／ｋｇ以上であり、前記水分吸着剤の全吸着剤に対する重量比が０．４〜０．７であり、空塔速度を５〜４０ｃｍ／ｓとして行う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】
運転に必要な寒冷の一部を外部から導入することを特徴とする請求項１又は２記載の窒素製造方法。
【請求項４】
空気を深冷液化分離して圧力が０．２８ＭＰａＧ以下の製品窒素を採取する窒素製造装置であって、原料空気を昇圧する原料空気圧縮機と、昇圧した原料空気中の不純物を除去して精製する前処理設備と、精製した原料空気を冷却する主熱交換器と、該主熱交換器の中間部から取り出した原料空気の一部を膨張させて装置の運転に必要な寒冷を発生する膨張タービンと、該膨張タービンから導出した原料空気と前記主熱交換器で液化点付近まで冷却した原料空気とを液化精留して頂部の窒素富化流体と底部の酸素冨化流体とに分離する単精留塔と、該単精留塔頂部のガス状窒素富化流体の一部と単精留塔底部から導出した液状酸素冨化流体とを熱交換させ、前記ガス状窒素富化流体を液化するとともに、前記液状酸素富化流体を気化する凝縮器と、前記単精留塔頂部の窒素富化流体の一部を製品窒素として採取する経路とを備えていることを特徴とする窒素製造装置。
【請求項５】
空気を深冷液化分離して圧力が０．２８ＭＰａＧ以下の製品窒素を採取する窒素製造装置であって、原料空気を昇圧する原料空気圧縮機と、昇圧した原料空気中の不純物を除去して精製する前処理設備と、精製した原料空気の一部を冷却する第一熱交換器と、該第一熱交換器で冷却した原料空気の一部を膨張させて装置の運転に必要な寒冷を発生する膨張タービンと、精製した前記原料空気の残部を液化点付近まで冷却する第二熱交換器と、前記膨張タービンから導出した原料空気と前記第二熱交換器から導出した原料空気とを液化精留して頂部の窒素富化流体と底部の酸素冨化流体とに分離する単精留塔と、該単精留塔頂部のガス状窒素富化流体の一部と単精留塔底部から導出した液状酸素冨化流体とを熱交換させ、前記ガス状窒素富化流体を液化するとともに、前記液状酸素富化流体を気化する凝縮器と、前記単精留塔頂部の窒素富化流体の一部を製品窒素として採取する経路とを備えていることを特徴とする窒素製造装置。
【請求項６】
前記前処理設備は、水分吸着剤及び炭酸ガス吸着剤をそれぞれ空気入口側からこの順序で充填した切り替え使用する複数基の吸着筒を備え、前記炭酸ガス吸着剤における炭酸ガス等温吸着容量が、原料空気温度４５℃において、炭酸ガス分圧０．１ｋＰａで０．１ｍｏｌ／ｋｇ以上、炭酸ガス分圧１．０ｋＰａで０．６ｍｏｌ／ｋｇ以上であり、かつ、原料空気温度２５℃において、炭酸ガス分圧０．１ｋＰａで０．３ｍｏｌ／ｋｇ以上、炭酸ガス分圧１．０ｋＰａで１．５ｍｏｌ／ｋｇ以上であり、前記水分吸着剤の全吸着剤に対する重量比が０．４〜０．７であり、空塔速度を５〜４０ｃｍ／ｓとして筒内温度２０〜８０℃の範囲で吸着操作が行われ、不純物の除去工程を行う吸着設備であることを特徴とする請求項４又は５記載の窒素製造装置。
【請求項７】
装置の運転に必要な寒冷の一部を装置外から導入する液化ガス導入経路を備えていることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項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、空気を深冷液化分離して圧力が０．２８ＭＰａＧ以下の比較的低圧の製品窒素を採取する窒素製造方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から知られている基本的な窒素製造プロセスは、図４の系統図に示すように、原料空気を昇圧する原料空気圧縮機５１と、原料空気中の水分や炭酸ガスを除去する前処理設備５２と、原料空気を冷却する主熱交換器５３と、原料空気を精留分離する単精留塔５４と、精留塔還流液を生成する凝縮器５５と、装置の運転に必要な寒冷を発生する膨張タービン５６と、単精留塔５４で分離して主熱交換器５３で昇温した製品窒素ガス（ＰＮ）を導出する製品窒素ガス導出経路５７等を備えている。
【０００３】
フィルター５１ａから吸入された原料空気は、原料空気圧縮機５１で所定の圧力に昇圧され、アフタークーラー５１ｂで圧縮熱を除去された後、前処理設備５２で水分や炭酸ガスが除去されて精製された後、コールドボックス５８内に導入される。コールドボックス５８内に導入された原料空気は、主熱交換器５３で製品窒素ガスや廃ガス（ＷＧ）と熱交換を行い、液化点付近まで冷却されて単精留塔５４の下部に導入される。
【０００４】
単精留塔５４に導入された原料空気は、精留操作によって塔上部の窒素富化流体（窒素ガス）と塔底部の酸素富化流体（酸素富化液化空気）とに分離される。酸素富化液化空気は、塔底部から経路５９に抜き出されて減圧弁６０で所定の圧力に減圧された後に凝縮器５５に導入され、塔上部から経路６１に抜き出されて凝縮器５５に導入される窒素ガスと熱交換を行い、全量が気化して廃ガスとなる。この廃ガスは、経路６２を通って主熱交換器５３に導入されて中間温度まで昇温され、主熱交換器５３の中間部から経路６３に抜き出された後に膨張タービン５６に導入され、中間圧力から大気圧付近まで断熱膨張することにより寒冷を発生させる。膨張後の廃ガスは、弁６４を備えた経路６５をバイパスした廃ガスと合流し、経路６６から再び主熱交換器５３に導入され、常温に昇温した後に経路６７から排出される。
【０００５】
凝縮器５５に導入された窒素ガスは、全量が液化して液化窒素となり、経路６８から単精留塔５４の上部に導入されて還流液となる。そして、前記経路６１に抜き出された窒素ガスの一部が経路６９に分岐し、主熱交換器５３に導入されて常温に昇温され、製品窒素ガス導出経路５７を通って採取され、使用先に供給される。このような従来の窒素製造プロセスにおける製品窒素ガスの圧力は、通常、０．４〜１．０ＭＰａＧの範囲に設定されることが多い（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
このような基本的な窒素製造プロセスに対し、原料空気圧縮機で比較的高い圧力に昇圧した原料空気を前処理設備に導入して精製した後、その全量を膨張タービンで膨張させてからコールドボックスに導入することも提案されている（特許文献２参照）。また、圧縮、精製、冷却後の原料空気の一部を廃ガスの圧力に相当する圧力、通常は大気圧付近まで膨張タービンで膨張させることによって発生寒冷量を増加させ、増加した寒冷量に相当する量の液化窒素を製品として採取することも提案されている（特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００４−１１６８０２号公報
【特許文献２】特開２００５−１８８７９６号公報
【特許文献３】特開平１１−２８７５５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、要求される製品窒素の圧力が０．２ＭＰａＧ程度の場合、従来のプロセスをそのまま適用することは難しい。すなわち、製品窒素の圧力が０．２ＭＰａＧ程度だと、単精留塔の圧力が０．２１ＭＰａＧ程度となり、凝縮器で精留塔上部の窒素ガスと酸素富化液化空気との熱交換に必要な温度差を確保するためには、凝縮器から導出する廃ガスの圧力が大気圧付近となってしまい、膨張タービンで寒冷発生に必要な圧力が確保できない。さらに、単精留塔の圧力を０．２ＭＰａＧとすると、原料空気圧縮機の吐出圧力は０．２３ＭＰａＧとなり、前処理設備が大型となり、再生ガスが大幅に増加してしまう問題もある。
【０００８】
また、図４に記載したプロセスを使用して０．２ＭＰａＧの製品窒素を得る場合には、上述の膨張タービンにおける圧力確保と前処理設備の問題とを解決するため、原料空気の圧力を０．３７ＭＰａＧ以上とする必要がある。この結果、製品窒素は約０．３４ＭＰａＧで発生することになり、所望の圧力である０．２ＭＰａＧまで減圧する必要があり、大きなエネルギー損失が避けられない。
【０００９】
さらに、特許文献２に記載されたプロセスでは、精製後の原料空気の全量を膨張タービンにて減圧させるとともに、このときに発生するエネルギーを原料空気の圧縮用に用いており、装置の運転に必要な寒冷は、外部から液化ガスを注入することにより得ている。このプロセスによれば、従来と同程度の圧力を有する窒素を効率よく製造できるという利点はあるが、外部から液化ガスを注入する必要があったり、原料空気全量を処理するための大容量の膨張タービンを必要とする問題があり、また、０．２ＭＰａＧの低圧の製品窒素を得ることについてはまったく考慮していない。
【００１０】
一方、特許文献３に記載されたプロセスは、液化窒素を採取することを目的とするものであり、膨張タービンで大気圧付近まで膨張した原料空気の一部は、精留塔に供給されることなく廃ガスと共に主熱交換器を通して排出されている。したがって、このプロセスでは、製品収率を改善することよりも、寒冷を多く発生することが技術的課題であり、本発明とは対象とする技術的課題が異なる。また、０．２ＭＰａＧの低圧の製品窒素を得ることについてはまったく考慮していない。
【００１１】
そこで本発明は、装置構成を複雑化することなく、０．２８ＭＰａＧ以下の低圧製品窒素を効率よく採取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】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明の窒素製造方法は、空気を深冷液化分離して圧力が０．２８ＭＰａＧ以下の製品窒素を採取するための窒素製造方法であって、原料空気を昇圧する圧縮工程と、昇圧した原料空気中の不純物を除去して精製する精製工程と、精製した原料空気の一部を中間温度に冷却する第１冷却工程と、精製した原料空気の残部を液化点付近まで冷却する第２冷却工程と、前記中間温度の原料空気を膨張させて寒冷を発生させる寒冷発生工程と、液化点付近まで冷却した前記原料空気と膨張した前記原料空気とを液化精留して窒素富化流体と酸素富化流体とに分離する精留分離工程と、前記窒素富化流体を製品窒素として採取する製品窒素採取工程とを含むことを特徴としている。
【００１３】
さらに、本発明の窒素製造方法では、前記精製工程は、昇圧した原料空気を１０〜４５℃で水分吸着剤及び炭酸ガス吸着剤がそれぞれ原料空気入口側からこの順序で充填された吸着筒内に導入することにより行い、前記炭酸ガス吸着剤における炭酸ガス等温吸着容量が、原料空気温度４５℃において、炭酸ガス分圧０．１ｋＰａで０．１ｍｏｌ／ｋｇ以上、炭酸ガス分圧１．０ｋＰａで０．６ｍｏｌ／ｋｇ以上であり、かつ、原料空気温度２５℃において、炭酸ガス分圧０．１ｋＰａで０．３ｍｏｌ／ｋｇ以上、炭酸ガス分圧１．０ｋＰａで１．５ｍｏｌ／ｋｇ以上であり、前記水分吸着剤の全吸着剤に対する重量比が０．４〜０．７であり、空塔速度を５〜４０ｃｍ／ｓとして行うことを特徴としている。また、設計条件によっては、運転に必要な寒冷の一部を外部から導入することを特徴としている。
【００１４】
また、本発明の窒素製造装置は、空気を深冷液化分離して圧力が０．２８ＭＰａＧ以下の製品窒素を採取する窒素製造装置であって、原料空気を昇圧する原料空気圧縮機と、昇圧した原料空気中の不純物を除去して精製する前処理設備と、精製した原料空気を冷却する主熱交換器と、該主熱交換器の中間部から取り出した原料空気の一部を膨張させて装置の運転に必要な寒冷を発生する膨張タービンと、該膨張タービンから導出した原料空気と前記主熱交換器で液化点付近まで冷却した原料空気とを液化精留して頂部の窒素富化流体と底部の酸素冨化流体とに分離する単精留塔と、該単精留塔頂部のガス状窒素富化流体の一部と単精留塔底部から導出した液状酸素冨化流体とを熱交換させ、前記ガス状窒素富化流体を液化するとともに、前記液状酸素富化流体を気化する凝縮器と、前記単精留塔頂部の窒素富化流体の一部を製品窒素として採取する経路とを備えていることを特徴としている。
【００１５】
さらに、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、昇圧した原料空気中の不純物を除去して精製する前処理設備と、精製した原料空気の一部を冷却する第一熱交換器と、該第一熱交換器で冷却した原料空気の一部を膨張させて装置の運転に必要な寒冷を発生する膨張タービンと、精製した前記原料空気の残部を液化点付近まで冷却する第二熱交換器と、前記膨張タービンから導出した原料空気と前記第二熱交換器から導出した原料空気とを液化精留して頂部の窒素富化流体と底部の酸素冨化流体とに分離する単精留塔と、該単精留塔頂部のガス状窒素富化流体の一部と単精留塔底部から導出した液状酸素冨化流体とを熱交換させ、前記ガス状窒素富化流体を液化するとともに、前記液状酸素富化流体を気化する凝縮器と、前記単精留塔頂部の窒素富化流体の一部を製品窒素として採取する経路とを備えていることを特徴としている。
【００１６】
また、前記前処理設備は、水分吸着剤及び炭酸ガス吸着剤をそれぞれ空気入口側からこの順序で充填した切り替え使用する複数基の吸着筒を備え、前記炭酸ガス吸着剤における炭酸ガス等温吸着容量が、原料空気温度４５℃において、炭酸ガス分圧０．１ｋＰａで０．１ｍｏｌ／ｋｇ以上、炭酸ガス分圧１．０ｋＰａで０．６ｍｏｌ／ｋｇ以上であり、かつ、原料空気温度２５℃において、炭酸ガス分圧０．１ｋＰａで０．３ｍｏｌ／ｋｇ以上、炭酸ガス分圧１．０ｋＰａで１．５ｍｏｌ／ｋｇ以上であり、前記水分吸着剤の全吸着剤に対する重量比が０．４〜０．７であり、空塔速度を５〜４０ｃｍ／ｓとして筒内温度２０〜８０℃の範囲で吸着操作が行われ、不純物の除去工程を行う吸着設備であることを特徴としている。また、設計条件によっては、装置の運転に必要な寒冷の一部を装置外から導入する液化ガス導入経路を備えていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、まず、前処理設備は、精留塔圧力より高い圧力の原料空気を処理するので、低圧の原料空気を精製する前処理設備に比べて小型化することができる。そして、精留塔上部のガス状窒素富化流体を液化する液状酸素富化流体の圧力は、気化後に膨張させる必要がないことから、大気圧付近まで減圧することができる。これにより、ガス状窒素富化流体の圧力を０．２８ＭＰａＧ以下にすることができ、所定の圧力の製品窒素を効率よく採取することができる。同時に、精留塔圧力が下がることによって精留効率が改善され、動力原単位の低減が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明の窒素製造方法を実施するための窒素製造装置の第１形態例を示す系統図である。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と、昇圧した原料空気中の不純物を除去して精製する前処理設備１２と、精製した原料空気を廃ガス及び製品窒素ガスとの熱交換によって冷却する主熱交換器１３と、該主熱交換器１３の中間部から取り出した原料空気の一部を膨張させて装置の運転に必要な寒冷を発生する膨張タービン１４と、該膨張タービン１４から導出した原料空気と前記主熱交換器１３で液化点付近まで冷却した原料空気とを液化精留して頂部の窒素富化流体と底部の酸素冨化流体とに分離する単精留塔１５と、該単精留塔頂部のガス状窒素富化流体の一部と単精留塔底部から導出した液状酸素冨化流体とを熱交換させ、前記ガス状窒素富化流体を液化するとともに、前記液状酸素富化流体を気化する凝縮器１６と、前記単精留塔頂部の窒素富化流体の一部を製品窒素として採取する経路とを備えている。
【００１９】
フィルター１１ａから原料空気圧縮機１１に吸入された原料空気は、該原料空気圧縮機１１で所定の圧力、例えば、前述の図４に示した従来プロセスと同等の圧力に昇圧される(圧縮工程)。昇圧された原料空気は、アフタークーラー１１ｂで圧縮熱を除去された後、前処理設備１２に導入され、原料空気中の不純物、例えば水分や炭酸ガスを除去して精製される(精製工程)。
【００２０】
精製された原料空気は、経路１７を通ってコールドボックス１８内に導入され、主熱交換器１３で製品窒素ガスや廃ガスと熱交換が行われ、精製された原料空気の一部は中間温度に冷却され（第１冷却工程）、精製された原料空気の残部は液化点付近まで冷却される(第２冷却工程)。中間温度まで冷却された原料空気の一部は、主熱交換器１３の中間部から経路１９に抜き出された後、弁２０を通って膨張タービン１４に導入され、膨張することによって中間温度から液化点付近まで温度低下して寒冷を発生する(寒冷発生工程)。
【００２１】
膨張タービン１４から経路２１に導出された原料空気の一部は、主熱交換器１３から経路２２に導出され、弁２３を通った原料空気の残部と合流し、経路２４を通って単精留塔１５の下部に導入される。単精留塔１５に導入された原料空気は、該単精留塔１５で精留され、塔上部の窒素富化流体（窒素ガス）と塔底部の酸素富化流体（酸素富化液化空気）とに分離される(精留分離工程)。
【００２２】
塔底部の酸素富化液化空気は、塔底部から経路２５に抜き出され、減圧弁２６で所定圧力に減圧された後、凝縮器１６に導入される。この凝縮器１６には、減圧後の酸素富化液化空気と、塔上部から経路２７に抜き出された窒素ガスの一部と熱交換を行い、酸素富化液化空気の全量が気化して廃ガスとなる。この廃ガスＷＧは、経路２８を通って主熱交換器１３に導入され、原料空気と熱交換を行うことによって昇温され、常温となって経路２９から抜き出され、その一部が前処理設備１２の再生用に利用される。
【００２３】
一方、前記凝縮器１６に導入された窒素ガスは、その全量が液化して液化窒素となり、経路３０を通って単精留塔１５の上部に導入され、単精留塔１５での精留操作に必要な還流液となる。そして、前記経路２７に抜き出された窒素ガスの一部が経路３１に分岐し、主熱交換器１３で原料空気を冷却することにより常温に昇温され、製品窒素採取経路３２から製品窒素ガスＰＮとして採取される(製品窒素採取工程)。
【００２４】
このように、原料空気の一部を膨張タービン１４に導入して装置の運転に必要な寒冷を発生させることにより、凝縮器１６で気化した廃ガスを膨張タービンに導入して寒冷発生用に用いる必要がなくなるので、凝縮器１６における酸素富化液化空気の圧力を大気圧近くまで下げることが可能となり、これと熱交換して液化する窒素ガスの圧力を低くすることができる。さらに、単精留塔上部の窒素ガスの圧力を低くできることから、単精留塔１５における運転圧力を従来よりも下げることができ、単精留塔１５での精留効率が改善されるため、製品窒素の採取効率（動力原単位）を向上させることができる。
【００２５】
一方、膨張タービン１４で膨張する前の原料空気の圧力、すなわち、原料空気圧縮機１１で昇圧した原料空気の圧力は、従来の一般的な窒素製造プロセスと同程度に設定することができるので、前処理設備１２の大型化を回避することができ、再生ガス量も従来と同程度に抑えることができる。また、経路１９の弁２０と経路２２の弁２３の開度をそれぞれ調節することにより、単精留塔１５に導入する原料空気量を所定量に保ちながら、膨張タービン１４における発生寒冷量を適切に設定することができる。加えて、膨張タービン１４で膨張した原料空気を廃棄することなく単精留塔１５に導入し、この原料空気中の窒素も精留分離しているので、製品窒素の収率向上も図れる。
【００２６】
さらに、本形態例を示す図１と、従来の基本的な窒素製造プロセスを示す図４との比較から明らかなように、窒素製造装置を構成する主要機器の増加はほとんどなく、したがって、設備コストや保守コストが増大することもないという利点を有している。
【００２７】
なお、前処理設備１２の構成は任意であるが、水分吸着剤及び炭酸ガス吸着剤をそれぞれ空気入口側からこの順序で充填した切り替え使用する複数基の吸着筒を備え、前記炭酸ガス吸着剤における炭酸ガス等温吸着容量が、原料空気温度４５℃において、炭酸ガス分圧０．１ｋＰａで０．１ｍｏｌ／ｋｇ以上、炭酸ガス分圧１．０ｋＰａで０．６ｍｏｌ／ｋｇ以上であり、かつ、原料空気温度２５℃において、炭酸ガス分圧０．１ｋＰａで０．３ｍｏｌ／ｋｇ以上、炭酸ガス分圧１．０ｋＰａで１．５ｍｏｌ／ｋｇ以上であり、前記水分吸着剤の全吸着剤に対する重量比が０．４〜０．７であり、空塔速度を５〜４０ｃｍ／ｓとして、原料空気温度を１０〜４５℃の範囲、とりわけ２５〜４５℃の範囲では、空気温度飽和水分の吸着熱等を考慮すると、吸着筒内温度２０〜８０℃の範囲、より限定的には３０〜７０度の範囲で吸着操作が行われる不純物の除去工程を行う吸着設備を使用することにより、原料空気を所定の温度まで冷却する冷凍機を省略することができる。
【００２８】
また、弁２０は、流量調節が可能なものを適宜に使用することができ、膨張タービン１４の流量を可変するノズルであってもよい。一方、弁２３は、経路２２を流れる原料空気の圧力を、膨張タービン１４で膨張した原料空気の圧力と同程度の圧力に減圧するとともに、流量調節を行えるものを使用するが、減圧手段と流量調節手段とを別個に設けることもできる。さらに、経路２５を流れる酸素富化液化空気を、経路２８を流れる廃ガス及び経路３１を流れる窒素ガスによって過冷状態とする過冷器３３を設けることもできる。
【００２９】
加えて、膨張タービン１４からの原料空気と、弁２３を経た原料空気とを経路２４に合流させることなく、別々の経路で単精留塔１５に導入してもよく、これらを単精留塔１５の異なる精留段にそれぞれ導入することもできる。単精留塔１５は、一般的な精留板、規則充填物、不規則充填物等が設置、充填された一般的な低温精留のための精留塔を使用することができる。
【００３０】
図２は、本発明の窒素製造方法を実施するための窒素製造装置の第２形態例を示す系統図である。なお、以下の説明において、前記第１形態例で示した窒素製造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て詳細な説明は省略する。
【００３１】
本形態例は、前記第１形態例における主熱交換器（１３）を、膨張タービン１４に導入する原料空気の一部と廃ガスの一部とを熱交換させて原料空気を冷却するための第一熱交換器１３ａと、原料空気の残部と廃ガス及び製品窒素ガスとを熱交換させて原料空気を冷却するための第二熱交換器１３ｂとに分割形成するとともに、凝縮器１６で気化した廃ガスが流れる経路２８を第一熱交換器１３ａに向かう経路２８ａと第二熱交換器１３ｂに向かう経路２８ｂとに分岐し、分岐した一方の経路２８ａに流量調節用の弁３４を設けた例を示している。
【００３２】
フィルター１１ａから原料空気圧縮機１１に吸入された原料空気は、原料空気圧縮機１１で所定の圧力に昇圧され、アフタークーラー１１ｂで圧縮熱を除去された後、前処理設備１２に導入され、原料空気中の水分や炭酸ガス等の不純物が除去されて精製される。精製されて経路１７に導出された原料空気は、第一熱交換器１３ａに向かう経路１７ａと第二熱交換器１３ｂに向かう経路１７ｂとに分岐してコールドボックス１８内に導入される。このとき、経路１７ａと経路１７ｂとにおける原料空気の流量は、弁２０，２３によって適宜調整される。
【００３３】
第一熱交換器１３ａで廃ガスと熱交換することにより所定温度に冷却された一部の原料空気は、経路１９、弁２０を通って膨張タービン１４に導入され、膨張することによって中間温度から液化点付近まで温度低下する。膨張タービン１４から経路２１に導出された原料空気の一部は、主熱交換器１３ｂから経路２２に導出され、弁２３を通った原料空気の残部と合流し、経路２４を通って単精留塔１５の下部に導入される。単精留塔１５に導入された原料空気は、該単精留塔１５での液化精留により、塔上部の窒素ガスと塔底部の酸素富化液化空気とに分離される。
【００３４】
単精留塔１５の底部から経路２５に抜き出された酸素富化液化空気は、過冷器３３で過冷状態となった後、減圧弁２６で所定圧力に減圧されて凝縮器１６に導入される。この凝縮器１６で、減圧後の前記酸素富化液化空気と単精留塔１５の上部から経路２７に抜き出された窒素ガスの一部とが熱交換を行い、酸素富化液化空気の全量が気化して廃ガスとなる。
【００３５】
凝縮器１６から経路２８に導出された廃ガスＷＧは、弁３４の開度に応じて経路２８ａと経路２８ｂとに所定量が分岐し、経路２８ａの廃ガスは、第一熱交換器１３ａで膨張タービン１４に向かう一部の原料空気と熱交換して常温となる。また、経路２８ｂの廃ガスは、第二熱交換器１３ｂで残部の原料空気と熱交換して常温となる。第一熱交換器１３ａから経路２９ａに導出された廃ガスと、第二熱交換器１３ｂから経路２９ｂに導出された廃ガスとは、経路２９に合流して排出される。
【００３６】
前記凝縮器１６に導入された窒素ガスは、その全量が液化して液化窒素となり、経路３０を通って単精留塔１５の上部に還流液として導入される。また、前記経路２７から経路３１に分岐した一部の窒素ガスは、第二熱交換器１３ｂで残部の原料空気と熱交換して常温となり、経路３２から製品窒素ガスＰＮとして採取される。
【００３７】
本形態例に示すように、中間温度に冷却する原料空気の冷却と、液化点付近まで冷却する原料空気の冷却とを別の熱交換器１３ａ，１３ｂでそれぞれ行うことにより、膨張タービン１４の入口部における原料空気の温度を精度よく制御することができる。すなわち、膨張タービン１４の入口部における原料空気温度が所定温度となるように、例えば、第一熱交換器１３ａに導入する廃ガスの流量を弁３４で調節することが可能となる。これにより、膨張タービン１４内で原料空気の液化を回避したい場合は確実に対応できる。
【００３８】
また、本形態例では、廃ガスを分岐して両熱交換器１３ａ、１３ｂに導入したが、経路３１の窒素ガスを分岐させてもよく、廃ガスと窒素ガスの両方を分岐させるようにしてもよい。
【００３９】
なお、通常は、膨張タービン１４で装置の運転に必要な寒冷を賄うことは可能であるが、装置に必要な寒冷の一部として外部から液化ガスを導入することも可能である。例えば、経路３５から経路３０に液化窒素を導入したり、経路３６又は経路３７から経路２５の減圧弁２６の上流側又は下流側に液化窒素や液化空気等を導入することもできる。
【００４０】
また、経路２４から単精留塔１５に導入する原料空気の一部が液化している場合は、単精留塔１５の入口部に気液分離器（図示せず）を設置し、この気液分離器で分離した気相のみを単精留塔の下部に導入し、分離した液相は経路２５の酸素富化液化空気と合流させるように形成することができる。このとき、気液分離器で分離した気相を、単精留塔１５の原料空気導入位置とは異なる精留段に導入することも可能である。
【実施例１】
【００４１】
図１に示す構成で、過冷器３３を設置した窒素製造装置を使用したときの運転操作の一実施例を説明する。なお、ガス量を示す「Ｎｍ３」は、０℃、１気圧に換算したときのガス量を表している。
【００４２】
フィルター１１ａから原料空気圧縮機１１に吸入された原料空気２９２０Ｎｍ３／ｈは、該原料空気圧縮機１１で０．３７ＭＰａＧに昇圧され、アフタークーラー１１ｂで冷却水によって圧縮熱が除去され、原料空気は約４０℃まで冷却される。冷却された原料空気は、合成ゼオライトを充填した二塔切替式の吸着器を備えた前処理設備１２に導入され、原料空気中の水分、炭酸ガス及びその他の不純物が除去されて精製される。
【００４３】
前処理設備１２で精製された原料空気は、主熱交換器１３で帰還ガス、即ち製品窒素ガスや廃ガスと熱交換され、原料空気の一部７００Ｎｍ３／ｈは、中間温度の１１５Ｋ程度まで冷却され、残部の原料空気２２２０Ｎｍ３／ｈは、液化点付近（９８Ｋ）まで冷却される。中間温度まで冷却された原料空気の一部は、主熱交換器１３の中間部から抜き出されて膨張タービン１４に導入され、単精留塔１５の運転圧力と同程度まで膨張し、装置の運転に必要な寒冷を発生させる。
【００４４】
膨張タービン１４から導出された原料空気の一部と、主熱交換器１３の冷端から導出された原料空気の残部とは、経路２４に合流して単精留塔１５の下部に導入される。単精留塔１５に導入された原料空気は塔内の上昇ガスとなり、単精留塔１５内を下降する後述の還流液と接触することによって精留操作が行われ、塔上部の窒素ガスと塔下部の酸素富化液化空気とに分離される。
【００４５】
塔底部から経路２５に抜き出された酸素富化液化空気１４２０Ｎｍ３／ｈは、過冷器３３で数度過冷状態となり、減圧弁２６で０．０３ＭＰａＧに減圧されてから凝縮器１６に導入される。また、塔上部から経路２７に抜き出された窒素ガスの一部が凝縮器１６に導入され、前記酸素富化液化空気と熱交換して液化し、単精留塔１５の上部に導入されて塔内を下降する還流液となる。残りの窒素ガス１５００Ｎｍ３／ｈは、主熱交換器１３で原料空気と熱交換して常温に昇温して、約０．２０ＭＰａＧの製品窒素ガスＰＮとして採取される。
【００４６】
一方、酸素富化液化空気は、凝縮器１６で気化された後に主熱交換器１３に導入され、原料空気と熱交換を行うことによって昇温して、常温の廃ガスとなり、前処理設備１２の再生ガスとして使用される。
【００４７】
以上説明した過冷器３３を配置した実施例装置と、図１に示した過冷器を備えていない窒素製造装置と、図４に示した従来の窒素製造装置とにおいて、製品窒素ガス量１５００Ｎｍ３／ｈ、許容酸素組成１．０ｖｏｌ．ｐｐｍ、製品窒素ガス圧力０．２０ＭＰａＧの条件で運転したときの状態を表１に示す。なお、消費動力は、従来装置を１．０とした場合の比率を示す。従来の装置(図４)に比較して、本発明装置では動力が約６．３％〜７．５％低減可能であることがわかる。
【表１】
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【００４８】
図３は、実施例１における製品窒素ガスの圧力と、消費動力(図４の従来装置における製品窒素ガス圧力が０．３４ＭＰａＧの消費動力を１．０とする。)の関係を示す図である。この図３から、製品窒素ガスの圧力が０．２８ＭＰａＧ程度で従来装置と同程度の消費動力となり、それ以下の製品圧力では動力を削減できることがわかる。つまり、製品窒素ガス圧力が０．２８ＭＰａＧ以下の範囲で、本発明は効果があることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の窒素製造方法を実施するための窒素製造装置の第１形態例を示す系統図である。
【図２】本発明の窒素製造方法を実施するための窒素製造装置の第２形態例を示す系統図である。
【図３】実施例１における製品窒素ガスの圧力と、図４の従来装置の動力費を１．０として比較した動力比との関係を示す図である。
【図４】従来の窒素製造装置の一例を示す系統図である。
【符号の説明】
【００５０】
１１…原料空気圧縮機、１２…前処理設備、１３…主熱交換器、１３ａ…第一熱交換器、１３ｂ…第二熱交換器、１４…膨張タービン、１５…単精留塔、１６…凝縮器、１８…コールドボックス、２６…減圧弁、３３…過冷器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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