(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素の生産方法において、圧縮され清浄化された原料空気である圧縮清浄原料空気を空気の精留温度に冷却し、
前記圧縮清浄原料空気を蒸留塔に導入して、富窒素蒸気塔頂生成物と、塔底生成物としての富酸素液とを生成し、
前記富窒素蒸気塔頂生成物から成る富窒素留出物の少なくとも一部を凝縮させて得られる凝縮液の少なくとも一部を還流液として前記蒸留塔に導入し、
該富酸素液よりも窒素含有率が大きい窒素含有液を前記蒸留塔から抽出し、
前記富酸素液から成る第１冷却媒体と前記窒素含有液から成る第２冷却媒体とをそれぞれ膨張させ、
前記富窒素留出物の少なくとも一部を前記第１冷却媒体及び前記第２冷却媒体で凝縮させることによって第１気化冷却媒体及び第２気化冷却媒体を生成し、
前記富窒素留出物の別の部分から窒素生産物を抽出し、
前記第１気化冷却媒体を、主熱交換器の温端温度と冷端温度との間の中間の温度まで加温した上で、膨張仕事を伴わせて膨張させることによって冷凍媒体を生成し、
前記冷凍媒体と前記圧縮清浄原料空気との間で間接的熱交換を行わせ、
前記第２気化冷却媒体を圧縮し、該第２気化冷却媒体を前記空気の精留温度に冷却し、該第２気化冷却媒体を前記蒸留塔の底部に導入することによって前記窒素生産物の収量を向上させる、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記窒素生産物を気体窒素生産物として抽出することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記圧縮清浄原料空気を前記蒸留塔の中間位置に導入することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記第２気化冷却媒体を前記空気の精留温度において圧縮することを特徴とする請求項１または３記載の方法。
【請求項５】
前記第１冷却媒体及び前記第２冷却媒体を、それらを膨張させる前に過冷することを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記窒素生産物を気体窒素生産物として抽出し、前記気体窒素生産物、前記冷凍媒体、及び前記第１気化冷却媒体を、前記第１冷却媒体及び前記第２冷却媒体と間接的熱交換させて、それら第１冷却媒体及び前記第２冷却媒体を過冷することを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記圧縮清浄原料空気及び前記第２気化冷却媒体との間接的熱交換を介して、前記気体窒素生産物及び前記冷凍媒体が主熱交換器の温端温度にまで加温されると共に、前記第１気化冷却媒体が主熱交換器の温端温度と冷端温度との間の中間の温度まで加温されるようにしたことを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
窒素の生産装置において、
主熱交換手段を備え、該主熱交換手段は、圧縮され清浄化された原料空気である圧縮清浄原料空気を空気の精留温度に冷却し、第１気化冷却媒体を主熱交換器の温端温度と冷端温度との間の中間の温度まで加温し、第２気化冷却媒体を蒸留塔に導入する直前の空気の温度にまで冷却し、並びに、前記圧縮清浄原料空気から冷凍媒体への間接的熱伝達を行うものであり、
蒸留塔を備え、該蒸留塔は前記主熱交換手段に接続しており、該主熱交換手段から前記圧縮清浄原料空気の供給を受け、富窒素塔頂生成物と、塔底生成物としての富酸素液とを生成するものであり、
凝縮手段を備え、該凝縮手段は、前記富窒素塔頂生成物から成る富窒素留出物の少なくとも一部を凝縮させ、それによって得られる凝縮液の少なくとも一部を還流液として前記蒸留塔に導入し、第１冷却媒体及び第２冷却媒体を気化させて前記第１気化冷却媒体及び前記第２気化冷却媒体を生成するものであり、前記凝縮手段は前記蒸留塔に接続しており、前記第１冷却媒体は前記富酸素液から成り、前記第２冷却媒体は前記富酸素液よりも窒素含有率が大きい窒素含有液から成り、前記凝縮手段を更に前記主熱交換手段に接続して、前記第１気化冷却媒体が該主熱交換手段によって主熱交換器の温端温度と冷端温度との間の中間の温度まで加温されるようにしてあり、
第１膨張弁及び第２膨張弁を備え、それら膨張弁は前記凝縮手段と前記蒸留塔との間に介設されており、夫々が前記第１冷却媒体と前記第２冷却媒体とを膨張弁方式で膨張させるものであり、
前記富窒素留出物の別の部分から窒素生産物を抽出する手段を備え、
膨張手段を備え、該膨張手段は前記主熱交換手段に接続しており、前記第１気化冷却媒体を、膨張仕事を伴わせて膨張させることによって冷凍媒体を生成するものであり、前記主熱交換手段を前記膨張手段に接続して、前記圧縮清浄原料空気から前記冷凍媒体への間接的熱交換が行われるようにしてあり、
前記凝縮手段に接続した、前記第２気化冷却媒体を圧縮する圧縮器を備え、前記圧縮器を更に前記主熱交換手段に接続して、前記第２気化冷却媒体が該主熱交換手段によって冷却されるようにしてあり、
前記蒸留塔の底部を更に前記主熱交換手段に接続して、前記第２気化冷却媒体が蒸留塔に導入する直前の空気の温度にまで冷却された後に該蒸留塔に導入されるようにしてあり、それによって前記窒素生産物の収量を向上させている、ことを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸留塔で空気を成分分離して富窒素蒸気と富酸素液とを生成することによって窒素を生産する方法及び装置に関する。より詳しくは、本発明は、前記富窒素蒸気と蒸留塔から抽出した抽出液との間で間接的熱交換を行わせることによって、前記富窒素蒸気を凝縮させて蒸留塔の還流液とすると共にその抽出液を気化させるようにしたその種の方法及び装置に関する。更に詳しくは、本発明は、前記抽出液が気化した蒸気を圧縮して冷却した上で蒸留塔に戻すことによって窒素の収率を向上させたその種の方法及び装置に関する。更に詳しくは、本発明は、前記抽出液として前記富酸素液よりも窒素含有量の大きな液を用いるようにしたその種の方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒素を生産するために、単塔式の蒸留塔を使用した空気成分分離プラントが用いられており、この種のプラントは、当業界において窒素発生装置と呼ばれている。特に効率に優れた窒素発生装置の１つに次のようなものがある。即ち、その窒素発生装置においては、フィルタを通し、圧縮して清浄化した空気を、単塔式の蒸留塔の内部で成分分離して、塔頂生成物として富窒素蒸気を、また塔底生成物として富酸素液を生成する。その富窒素蒸気の一部を塔頂凝縮器で凝縮させて蒸留塔の還流液を生成する。この凝縮のために用いる冷却媒体は、前述の富酸素液の一部を膨張弁を介して膨張させたものである。この冷却媒体は気化し、その気化した冷却媒体の一部を再圧縮する。この再圧縮をするときの温度は、原料空気を空気の蒸留に適した温度に冷却するために使用している主熱交換器の温端温度とすることもあれば冷端温度とすることもある。そして、気化した冷却媒体を再圧縮したものを蒸留塔に導入することによって、窒素の総合的な収率を向上させている。以上に加えて、更に次のようにすることもある。即ち、前述の気化した冷却媒体の一部を、部分的に加温した上で、膨張仕事を伴わせて膨張させる。そしてその膨張させたものを、プラントを冷凍するための冷凍媒体として使用する。この場合、その膨張仕事の一部を前述の圧縮に利用することによって、エネルギを節約することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
後に詳述するように、以上に概説した種類のプロセスには、生産物である窒素の収量を更に向上させるための改良を施す余地があり、本発明の課題は、かかる改良を達成することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この課題を達成するために、本発明は、次の如き窒素の生産方法を提供する。即ち、この窒素の生産方法では、圧縮され清浄化された原料空気である圧縮清浄原料空気を空気の精留に適した温度に冷却する。前記圧縮清浄原料空気を蒸留塔に導入して、富窒素塔頂生成物と、塔底生成物としての富酸素液とを生成する。前記富窒素塔頂生成物から成る富窒素留出物の少なくとも一部を凝縮させ、それから得られる凝縮液の少なくとも一部を還流液として前記蒸留塔に導入する。窒素含有液を前記蒸留塔から抽出する。前記窒素含有液は、その窒素含有率が前記富酸素液の窒素含有率より大きな液である。前記富酸素液から成る第１冷却媒体と前記窒素含有液から成る第２冷却媒体と夫々にを膨張させる。前記富窒素留出物の前記少なくとも一部を前記第１冷却媒体及び前記第２冷却媒体で凝縮させることによって第１気化冷却媒体及び第２気化冷却媒体を生成する。前記富窒素留出物の別の部分から窒素生産物を抽出する。前記第１気化冷却媒体を、部分的に加温した上で膨張仕事を伴わせて膨張させることによって冷凍媒体を生成する。更に、前記冷凍媒体と前記圧縮清浄原料空気との間で間接的熱交換を行わせる。前記第２気化冷却媒体を温状態または冷状態で圧縮し、しかる後に、空気の蒸留（精留）に適した温度に冷却する。この後、前記第２気化冷却媒体を前記蒸留塔の底部に導入することによって前記窒素生産物の収量を向上させる。
【０００５】
本発明は、別の一局面においては次の如き窒素の生産装置を提供する。即ち、本発明のこの局面によれば、主熱交換手段を備えており、該主熱交換手段は、圧縮され清浄化された原料空気である圧縮清浄原料空気を空気の精留に適した温度に冷却するものである。該主熱交換手段は更に、第１気化冷却媒体を部分的に加温し、第２気化冷却媒体を空気の精留に適した温度にまで完全に冷却し、更に、前記圧縮清浄原料空気から冷凍媒体への間接的熱伝達を行うものである。また、蒸留塔を備えており、該蒸留塔は前記主熱交換手段に接続しており、該主熱交換手段から前記圧縮清浄原料空気の供給を受け、富窒素塔頂生成物と、塔底生成物である富酸素液とを生成するものである。また、凝縮手段を備えており、該凝縮手段は、前記富窒素塔頂生成物から成る富窒素留出物の少なくとも一部を凝縮させるものである。該凝縮手段は更に、その凝縮によって得られる凝縮液の少なくとも一部を還流液として前記蒸留塔に導入すると共に、第１冷却媒体及び第２冷却媒体を気化させて前記第１気化冷却媒体及び前記第２気化冷却媒体を生成するものである。該凝縮手段は前記蒸留塔に接続しており、前記第１冷却媒体は前記富酸素液から成り、前記第２冷却媒体は前記富酸素液よりも窒素含有率が大きい窒素含有液から成る。前記凝縮手段を更に前記主熱交換手段に接続して、前記第１気化冷却媒体が該主熱交換手段によって部分的に加温されるようにしてある。また、第１膨張弁及び第２膨張弁を備えており、それら膨張弁は前記凝縮手段と前記蒸留塔との間に介設されており、夫々が前記第１冷却媒体と前記第２冷却媒体とを膨張弁方式で膨張させるものである。また、前記富窒素留出物の別の部分から窒素生産物を抽出する手段を備えている。また、膨張手段を備えており、該膨張手段は前記主熱交換手段に接続しており、前記第１気化冷却媒体を、膨張仕事を伴わせて膨張させることによって冷凍媒体を生成するものである。前記主熱交換手段を前記膨張手段に接続して、前記圧縮清浄原料空気から前記冷凍媒体への間接的熱交換が行われるようにしてある。また、前記凝縮手段に接続した、前記第２気化冷却媒体を再圧縮する圧縮器を備えている。該圧縮器を更に前記主熱交換手段に接続して、前記第２気化冷却媒体が該主熱交換手段によって冷却されるようにしてある。そして、前記蒸留塔を更に前記主熱交換手段の前記底部に接続して、前記第２気化冷却媒体が空気の精留に適した温度にまで完全に冷却された後に該蒸留塔に導入されるようにしてある。
【０００６】
前記第２気化冷却媒体を蒸留塔に導入する直前の空気の温度にまで冷却した後に前記蒸留塔に再導入することによって、前記窒素生産物の収量を向上させている。前記第２気化冷却媒体は、蒸留塔の底部より上の位置で抽出された窒素含有液から成るものであるため、蒸留塔の底部において回収される前記富酸素液よりも窒素含有量が大きい。そのため、該第２気化冷却媒体は、前記富酸素液の同じ温度に対する露点圧力よりも高い露点圧力を有する。従って、前記圧縮器に供給される前記第２気化冷却媒体の供給圧力がより高く、このため同じ仕事でより多くの量の冷却媒体を圧縮することができる。この流量の増加はヒートポンプ作用を増大させ、気化した粗液体酸素を再循環させて蒸留塔に戻していた従来例と比較して、窒素生産物の回収量を増大させる。更に、前記窒素含有液の組成は、蒸留塔の内部の平衡蒸気組成に非常に近いものである。本発明による非常に近似した組成の２種の流の混合は従来例と比較してより可逆的になる。
【０００７】
尚、本明細書において使用する「完全に加温する」という用語の意味は、主熱交換器の温端温度にまで加温するということである。また、「完全に冷却する」という用語の意味は、蒸留塔に導入する直前の空気の温度にまで冷却するということである。そして、「部分的に加温する」という用語の意味は、主熱交換器の温端温度と冷端温度との間の中間の温度にまで加温するということである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
これより唯一の添付図面である図１を参照しつつ、本発明の好適な実施の形態について説明して行く。同図は、窒素を生産物として生成するための空気分留プラント１を示す。圧縮され清浄化された原料空気１０が主熱交換機１２に導入されている。この原料空気１０を得るための手順は図示していないが、当業界において周知の方法を用いればよい。即ち、空気をフィルタに通して塵埃粒子を除去した後に、その空気を圧縮する。そして、その圧縮に伴う圧縮熱を後置冷却器で除去した後に、その空気を予備清浄化装置で清浄化する。この予備清浄化装置には、一般的に、相の如何によらず二酸化炭素、水、及び炭化水素を原料空気から除去することのできるモレキュラーシーブの層を備えた装置を用いる。
【０００９】
原料空気１０を主熱交換機１２によって空気の蒸留（精留）に適した温度に冷却した後に、蒸留塔１４の中間部に導入しており、これによって、蒸留塔１４の塔頂部１６には富窒素蒸気塔頂生成物が生成され、蒸留塔１４の塔底部１８には富酸素液が塔底生成物として生成されるようにしている。蒸留塔１４は、棚段を用いた段塔であってもよく、また、ランダム充填物ないし構造充填物を用いた充填塔であってもよい。それら棚段ないし充填物は、成分分離すべき空気の、上昇して行く気相成分と下降して行く液相成分とを充分に接触させることによって、空気を富窒素蒸気と富酸素液とへ分留する機能を果たす。この蒸留塔１４は、富窒素蒸気が高純度窒素となるように設計してあり、ここで言う高純度窒素とは、例えば酸素含有率が１００ｐｐｂ以下という純度の窒素である。
【００１０】
蒸留塔１４から富窒素留出物２０を抽出している。この富窒素留出物２０は、前述の富窒素蒸気塔頂生成物から成るものである。富窒素留出物２０の一部２２を凝縮器２４で凝縮させており、それによって得られる凝縮液を還流液として蒸留塔１４の中に戻している。容易に理解されるように、富窒素留出物２０の全量を凝縮させるようにしてもよく、その場合には、その凝縮液の一部だけを還流液とし、残りの部分を生産物とする。
【００１１】
蒸留塔１４から第１冷却媒体２６を抽出している。この第１冷却媒体２６は、前述の塔底生成物であるところの富酸素液から成るものである。更に蒸留塔１４から窒素含有液を抽出しており、その抽出したものを第２冷却媒体２８としている。この窒素含有液を抽出する位置は蒸留塔１４の底部１８より上であるため、この窒素含有液は、その窒素含有率が、蒸留塔１４の底部１８において回収される前述の富酸素液の窒素含有率より大きい。第１冷却媒体２６及び第２冷却媒体２８を、過冷装置３０によって過冷した後に、減圧弁３２及び３４において膨張弁作用によって膨張させる。この減圧膨張によって第１冷却媒体２６及び第２冷却媒体２８の温度が低下するため、それら冷却媒体を用いて塔頂凝縮器２４において富窒素留出物２０の一部２２を凝縮させることができる。
【００１２】
富窒素留出物２０の別の部分３６は、最初に過冷装置３０で加温されて、その温度が主熱交換器１２の冷端温度になる。続いて、富窒素留出物２０のこの部分３６は、主熱交換器１２において完全に加温されて生産物である気体窒素として排出される。この生産物である気体窒素を図中にＰＧＮ2 で示した。
【００１３】
第１冷却媒体２６は、塔頂凝縮器２４の内部で気化することによって第１気化冷却媒体３８になる。同様に、第２冷却媒体２８は、気化することによって第２気化冷却媒体４０になる。第１気化冷却媒体３８は、最初に過冷装置３０で加温されて、主熱交換器１２の冷端温度にまで昇温され、続いて主熱交換器１２で部分的に加温される。この後、その第１気化冷却媒体３８をターボ膨張器４２に導入することによって冷凍媒体４４を生成する（第１気化冷却媒体３８が冷凍媒体４４になる）。冷凍媒体４４は、過冷装置３０で加温され、更に主熱交換器１２で完全に加温されて、主熱交換器１２から廃窒素として排出される。この廃窒素を図中にＷＮ2 で示した。
【００１４】
第２気化冷却媒体４０は、再循環圧縮器４６で圧縮した後に、完全に冷却するようにしている。再循環圧縮器４６はターボ膨張器４２に結合しているため、膨張仕事の一部が圧縮に使用される。膨張仕事の残りは、熱放散式ブレーキ４７を介して熱として排除される。続いてその第２気化冷却媒体４０を蒸留塔１４の底部１８に導入することによって、生産物である窒素の収率を向上させている。ここで特に注目すべき点は、圧縮して清浄化した原料空気１０（以下、圧縮清浄原料空気という）を蒸留塔１４に導入している位置が、蒸留塔１４の中間位置だということである。しかもこの中間位置は、蒸留塔１４の内部で分留が行われている空気の気相の組成が、外部から導入される原料空気の組成と等しくなる位置である。別法として、圧縮清浄原料空気１０を、第２気化冷却媒体４０と合流させた上で、蒸留塔１４の底部１８に導入するようにしてもよい。ただしこの方式では、その熱力学的効率が、図示の実施の形態ほどには良好にならない。
【００１５】
図示の実施の形態では、第２気化冷却媒体４０を圧縮する温度を、空気の蒸留を行う温度と略々同じ温度にしている。ここで「略々」という用語を使用し、また請求項においても使用しているのは、圧縮清浄原料空気１０を蒸留塔１４に導入しているこの蒸留塔１４の中間位置における温度（従って、主熱交換器１２の冷端温度）よりも、第２気化冷却媒体４０の温度の方が僅かに低いからである。尚、図示していないが、別の実施の形態として、第２気化冷却媒体４０を、主熱交換器１２で完全に加温してから、再圧縮し、その後に完全に冷却するような実施の形態とすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる装置を示した模式図であり、同装置において実行される空気の成分分離の方法を説明した図である。
【符号の説明】
１０  原料空気
１２  主熱交換器
１４  蒸留塔
２４  塔頂凝縮器
２６  第１冷却媒体
２８  第２冷却媒体
３８  第１気化冷却媒体
４０  第２気化冷却媒体
４２  ターボ膨張器
４４  冷凍媒体
４６  再循環圧縮器
【図１】
0004057668.tif 000002