特許 6351895 窒素製造方法および窒素製造装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6351895

(24)【登録日】2018年6月15日

(45)【発行日】2018年7月4日

(54)【発明の名称】窒素製造方法および窒素製造装置

(51)【国際特許分類】

   F25J 3/04 20060101AFI20180625BHJP

【ＦＩ】

   F25J3/04 103

【請求項の数】8

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2018-51957(P2018-51957)

(22)【出願日】2018年3月20日

【審査請求日】2018年3月22日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】591036572

【氏名又は名称】レール・リキード−ソシエテ・アノニム・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード

(74)【代理人】

【識別番号】100209934

【弁理士】

【氏名又は名称】柳田 朋子

(72)【発明者】

【氏名】廣瀬 献児

【審査官】 関根 崇

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−３２５７２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−３２４８５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 登録実用新案第３１８０８３２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２０１７−０７８５３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１５６２８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５８８７４４７（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５７１１１６７（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−１７１５２３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２５Ｊ

(57)【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を冷却する主熱交換器と、
前記原料空気を前記主熱交換器において冷却させることにより得られた低温原料空気を膨張させる原料空気膨張弁と、
膨張された前記低温原料空気が導入される、第一精留部を有する精留塔と、を備える窒素製造装置であって、
前記原料空気を前記主熱交換器を経由して前記精留塔に供給する主原料空気供給ラインと、
前記主原料空気供給ラインから、前記主熱交換器の内部で分岐された第一分岐ラインと、
前記第一分岐ラインから供給された第一分流原料空気を膨張させて第一低温空気とする第一タービンと、
前記第一低温空気を前記主熱交換器に導入する第一低温空気導入ラインと、
前記主原料空気供給ラインから、前記主熱交換器１より前段で分岐された第二分岐ラインと、
前記第二分岐ラインから供給された第二分流原料空気を膨張させて、前記第一低温空気よりも温度が低い第二低温空気とする第二タービンと、
前記第二低温空気を前記主熱交換器に導入する第二低温空気導入ラインと、
前記精留塔の塔上部に配置される凝縮部と、
前記精留塔の下部から酸素富化液の少なくとも一部を導出し、前記凝縮部に冷媒として前記酸素富化液を導入する酸素富化液導入ラインと、
前記凝縮部のある位置から廃ガス（リサイクル空気）の少なくとも一部を取り出すリサイクル空気取出ラインと、
前記リサイクル空気取出ラインから供給された前記廃ガスの少なくとも一部を圧縮するリサイクル空気圧縮機と、
前記リサイクル空気圧縮機から導出された圧縮リサイクル空気を前記精留塔の第一精留部の位置よりも下部から前記精留塔に導入するリサイクル空気導入ラインと、
前記凝縮部から前記廃ガスの一部を取出し、前記主熱交換器に導入する廃ガスラインと、
前記精留塔から液体窒素を取り出す製品液体窒素取出ラインと、
を備える窒素製造装置。

【請求項2】

前記凝縮部は、第二凝縮器と、第一凝縮器を備え、
前記リサイクル空気取出しラインは前記第一凝縮器で蒸発するガスの少なくとも一部を前記リサイクル空気圧縮機に導入するように配置され、
前記廃ガスラインは、前記第二凝縮器で蒸発するガスの少なくとも一部を前記主熱交換器に導入するように配置される、請求項１に記載の窒素製造装置。

【請求項3】

前記酸素富化液が、前記酸素富化液導入ラインを経由して前記第一凝縮器に供給された後に、前記第二凝縮器に供給されることを特徴とする、請求項２に記載の窒素製造装置。

【請求項4】

前記廃ガスラインから前記主熱交換器を経由して供給された前記廃ガスを膨張させて低温廃ガスとする第三タービンをさらに備え
前記第三タービンの軸端は、前記リサイクル空気圧縮機の軸端に接続される、請求項１ないし請求項３のいずれか1項に記載の窒素製造装置。

【請求項5】

前記圧縮リサイクル空気を前記主熱交換器で冷却させる圧縮リサイクル空気冷却ラインをさらに備える、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の窒素製造装置。

【請求項6】

前記精留塔は、前記第一精留部の下方に配置される第二精留部を備え、
前記低温原料空気は、前記第一精留部の位置よりも下部であって前記第二精留部の位置よりも上部に導入され、
前記圧縮リサイクル空気は、前記第二精留部の位置よりも下部に導入される、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の窒素製造装置。

【請求項7】

前記原料空気をさらに圧縮する第一圧縮機と、
前記第一圧縮機から導出された原料空気を冷却する第一冷却器と、
前記第一空気クーラーから導出された原料空気をさらに圧縮する第二圧縮機と、
前記第二圧縮機から導出された原料空気を冷却する第二冷却器と、をさらに備え、
前記第二タービンの軸端は、前記第一圧縮機および/または前記第二圧縮機の軸端に接続され、
前記第一タービンの軸端は、前記第一圧縮機および/または前記第二圧縮機の軸端に接続される、
請求項１ないし請求項６のいずれか1項に記載の窒素製造装置。

【請求項8】

外部より取り入れた空気を圧縮する原料空気圧縮機と、
前記原料空気圧縮機で圧縮された前記空気から所定の不純物を除去して原料空気とする除去部と、をさらに含む、請求項１ないし請求項７のいずれか1項に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、液体窒素を製造するための窒素製造方法および窒素製造装置に関する。

【背景技術】

【0002】

深冷分離法を用いた窒素製造装置により、ガス窒素および液体窒素を製造する方法が知られている（例えば文献１および文献２）。液体窒素は窒素精留塔から採取されることができる。
液体窒素の製造量を増加させようとする場合には、窒素精留塔から採取される液体窒素量を増加させる方法や、製造されたガス窒素を液化する方法が考えられる。
文献１は、ガス窒素の製造量を減少させて廃ガス量を増加させることにより、液体窒素の製造量を増加させる方法を開示する。廃ガス量を増加させた分、膨張タービンにおいて廃ガスの断熱膨張によって作り出される寒冷量を増加させることができる。その寒冷を主熱交換器で回収し、窒素の液化に使用することができるためである。
文献２は、酸素富化液の寒冷を主熱交換器と凝縮器で回収した後に、さらに膨張タービン及びブレーキにより寒冷を発生させて回収することによりガス窒素及び液体窒素を製造する方法を開示する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平１１−３１６０７９号公報

【特許文献2】米国特許第５，７１１，１６７号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、文献１に開示される方法では、液体窒素の製造量を増加させると、廃ガス量が増加するため、窒素回収率が低下する。また、主熱交換器においてガス窒素から回収される寒冷量はガス窒素の製造量の減少に伴い低下する。そのため、膨張タービンの負荷が増加し、エネルギー効率が低下するという問題がある。

【0005】

文献２に開示される方法では、窒素精留塔から直接採取することができる液体窒素量は少ない。
窒素精留塔から採取する液体窒素量を増加させるとタービンの負荷が増加し、主熱交換器における熱交換効率が低下する。
一方、文献２に開示される方法において製造されたガス窒素を液化させて液化窒素を得る場合には、液化装置の使用が必要となる。液化装置では窒素の多段圧縮のための圧縮装置等の機器が多数必要であり、設備が高額となる。また、圧縮の際のエネルギー損失が大きく、液化装置自身の電力消費量も大きいことから、エネルギー効率が悪い。

【0006】

上記実情に鑑みて、本発明では、窒素回収率が高く、エネルギー効率が高い液体窒素の製造方法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】

【0007】

（発明１）
本発明に係る製品液体窒素の製造方法は、
所定の不純物が除去された原料空気の少なくとも一部を第一温度まで冷却し、予冷原料空気とする予冷工程と、
前記予冷工程で冷却された前記原料空気の少なくとも一部を第一温度よりも低い第二温度まで冷却し、低温原料空気とする冷却工程と、
前記予冷工程で冷却された原料空気の他の一部を膨張冷却させ、第一低温空気とする第一膨張工程と、
前記原料空気の少なくとも一部を膨張冷却させ、第二低温空気とする第二膨張工程と、
第一精留部を有する精留塔の前記第一精留部の位置よりも下部に、前記冷却工程で冷却された前記原料空気を膨張させて導入する第一導入工程と、
前記精留塔の塔上部に配置される凝縮部おいて、前記精留塔の下部に貯留された酸素富化液との熱交換を行うことにより、前記精留塔内部のガスの少なくとも一部を凝縮させる凝縮工程と、
前記精留塔の塔上部に配置される凝縮部から取り出された廃ガス(リサイクル空気)を分流し、分流された前記排ガスの一方を圧縮するリサイクル空気圧縮工程と、
分流された前記廃ガスの他方を、前記原料空気および前記予冷原料空気のうち少なくともいずれかと熱交換させる廃ガス熱交換工程と、
前記精留塔の前記第一精留部の位置よりも下部に、前記リサイクル空気圧縮工程で圧縮された圧縮リサイクル空気を導入する第二導入工程と、
前記精留塔から製品液体窒素を取り出す製品液体窒素取出工程と、
を含む。
前記予冷工程および前記冷却工程において、前記第一低温空気および／または第二低温空気と、前記原料空気との熱交換が行われる。

【0008】

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予冷工程および冷却工程により冷却されて低温原料空気となる。低温原料空気は原料空気膨張弁で膨張された後に、精留塔へ導入される。
低温原料空気の一部は主熱交換器内で液化される。液化する低温原料空気の量は、例えば低温原料空気中の５重量％以上９０重量%以下であり、好ましくは７重量％以上７５重量%以下である。このときの液化量は、精留塔で製造される液体窒素量に比例する。したがって、大量の液体窒素を製造する場合には、必要とされる原料液化空気の量が大幅に増大する。原料液化空気の量が増大すると、相対的に液化しない低温原料空気の量が減少するため、精留塔における低温原料空気の精留のために必要なガス流が不足する結果となる。また、液化量を増大させるには、原料空気の冷却に大きなエネルギーが必要であるため、エネルギー効率が悪い。

【0009】

そこで本発明では、精留塔上部に配置された凝縮部で蒸発されたガス（廃ガス）の少なくとも一部をリサイクル空気として圧縮するリサイクル空気圧縮工程を設けた。廃ガスの少なくとも一部とは、例えば廃ガス中の２０重量％以上９０重量％以下であり、好ましくは４０重量％以上８０重量％以下である。リサイクル空気圧縮工程において圧縮された廃ガスを精留塔に供給することにより、精留に必要とされるガス流を確保することができる。また、廃ガスをリサイクル空気として再度精留することにより、窒素の回収率を向上させることができる。

【0010】

さらに本発明では、原料空気の一部を、主熱交換器の前段で膨張させて冷却し、膨張されなかった残りの原料空気を主熱交換器内部で予冷するための寒冷として利用する。原料空気の一部とは、例えば原料空気中の１重量％以上５０重量％以下であり、好ましくは３重量％以上４０重量％以下である。
また、主熱交換器内部で予冷された原料空気の一部を主熱交換器外部へ取り出して膨張させて冷却し、膨張されなかった残りの予冷された原料空気を主熱交換器内部で冷却するための寒冷として利用する。主熱交換器内部で予冷された原料空気の一部とは、例えば主熱交換器内部で予冷された原料空気中の１重量％以上４０重量％以下であり、好ましくは５重量％以上３０重量％以下である。
このように原料空気の一部を寒冷として利用することにより、原料空気を大量に液化させる場合におけるエネルギー効率を向上させることができる。

【0011】

主熱交換器内で液化されなかった原料空気および膨張弁で減圧された際に気化した原料液化空気は、ガスとして精留塔へ導入される。ガスとして導入された低温原料空気は精留塔の塔頂部に供給される液体窒素と接触し、精留され、酸素富化液と窒素ガスに分離される。精留塔下部に貯留された酸素富化液は、精留塔に供給された原料液化空気ととともに凝縮部に冷媒として供給される。
窒素ガスは精留塔の塔頂部から凝縮部に供給され、液化される。得られた液体窒素の一部は還流液として精留塔の塔頂部に供給され、他の一部は液体窒素取出工程において製品液化窒素として窒素製造装置から取り出される。液体窒素の一部とは、例えば液体窒素中の１重量％以上６０重量％以下であり、好ましくは４重量％以上５０重量％以下である。
取り出された製品液体窒素をさらに冷却するため、製品液体窒素の一部を減圧して冷媒として使用しても良い。製品液体窒素の一部とは、例えば製品液体窒素中の１重量％以上３０重量％以下であり、好ましくは５重量％以上２５重量％以下である。減圧させることにより冷却された液体窒素は、サブクーラにおいて、減圧されていない液体窒素との熱交換を行う。これにより製品液体窒素はさらに冷却されるのである。サブクーラにおいて、製品液体窒素と、第一膨張タービンから導出される第一低温空気とを熱交換させ、製品液体窒素を冷却しても良い。
冷媒とする一部の液体窒素と、他の液体窒素とを主熱交換器を通じて熱交換させても良い。
凝縮部に冷媒として供給された酸素富化液と原料液化空気の混合液は、窒素ガスとの熱交換によって蒸発される。蒸発されたガス（廃ガス）の一部は、リサイクル空気としてリサイクル空気圧縮機に供給されて圧縮され、精留塔の下部に供給される。
本発明により製造される製品液体窒素は、例えば純度が９９％以上であり、好ましくは９９．９９９９％以上である。

【0012】

（発明２）
本発明に係る窒素製造装置は、
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、
前記原料空気を前記主熱交換器（１）において冷却させることにより得られた低温原料空気を膨張させて、低温原料空気の一部を原料液化空気とする原料空気膨張弁（４）と、
膨張された前記低温原料空気が導入される、第一精留部（１８）を有する精留塔（５）と、を備える窒素製造装置（１００；１０１；１０２；１０３；１０４）であって、
前記原料空気を、前記主熱交換器（１）を経由して、前記精留塔（５）に供給する主原料空気供給ライン（２８）と、
前記主原料空気供給ライン（２８）から前記主熱交換器（１）の内部で分岐された第一分岐ライン（２５）と、
前記第一分岐ライン（２５）から供給された第一分流原料空気を膨張させて第一低温空気とする第一タービン（２）と、
前記第一低温空気を前記主熱交換器（１）に導入する第一低温空気導入ライン（２６）と、
前記主原料空気供給ライン（２８）から、前記主熱交換器（１）より前段で分岐された第二分岐ライン（２３）と、
前記第二分岐ライン（２３）から供給された第二分流原料空気を膨張させて、前記第一低温空気よりも温度が低い第二低温空気とする第二タービン（３）と、
前記第二低温空気を前記主熱交換器（１）に導入する第二低温空気導入ライン（２４）と、
前記精留塔（５）の塔上部に配置される凝縮部（９）と、
前記精留塔（５）の下部から酸素富化液の少なくとも一部を導出し、前記凝縮部（９）に冷媒として前記酸素富化液を導入する酸素富化液導入ライン（３１）と、
前記凝縮部（９）のある位置から廃ガス（リサイクル空気）の少なくとも一部を取り出すリサイクル空気取出ライン（３４）と、
前記リサイクル空気取出ライン（３４）から供給された前記廃ガスの少なくとも一部を圧縮するリサイクル空気圧縮機（１２）と、
前記リサイクル空気圧縮機（１２）から導出された圧縮リサイクル空気を前記精留塔（５）の第一精留部（１８）の位置よりも下部から前記精留塔（５）に導入するリサイクル空気導入ライン（３６）と、
前記凝縮部（９）から前記廃ガスの一部を取出し、前記主熱交換器（１）に導入する廃ガスライン（４３；４３２）と、
前記精留塔（５）から液体窒素を取り出す製品液体窒素取出ライン（３７）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。

【0013】

原料空気圧縮機により圧縮され、所定の不純物を除去された原料空気は、主熱交換器において予冷、冷却されて低温原料空気となる。低温原料空気は原料空気膨張弁で膨張された後に、精留塔へ導入される。
低温原料空気の一部は主熱交換器内で液化される。ここでの液化量を、高いエネルギー効率を維持しながら増加させるため、本発明にかかる窒素製造装置は、第一タービン及び第二タービンを有する。液化する低温原料空気の量は、例えば低温原料空気中の５重量％以上９０重量%以下であり、好ましくは７重量％以上７５重量%以下である。

【0014】

第一タービンは、主熱交換器外部へ取り出された、主熱交換器内部で予冷された原料空気の一部を膨張して、冷却させる。第一タービンにより冷却された原料空気は主熱交換器の冷端に供給され、第一タービンで膨張されなかった原料空気を主熱交換器内部で冷却させるための寒冷として利用される。主熱交換器内部で予冷された原料空気の一部とは、例えば主熱交換器内部で予冷された原料空気中の１重量％以上４０重量％以下であり、好ましくは５重量％以上３０重量％以下である。
第二タービンは、主熱交換器の前段で分流された原料空気の一部を膨張させ、冷却させる。第二タービンにより冷却された原料空気は、主熱交換器の中間に供給され、第二タービンで膨張されなかった原料空気を主熱交換器内部で予冷させるための寒冷として利用される。主熱交換器の前段で分流された原料空気の一部とは、例えば原料空気中の１重量％以上５０重量％以下であり、好ましくは３重量％以上４０重量％以下である。
このように原料空気の一部を寒冷として利用することにより、原料空気を大量に液化させる場合におけるエネルギー効率を向上させることができる。

【0015】

さらに本発明にかかる窒素製造装置は、精留塔上部に配置された凝縮部で蒸発されたガス（廃ガス）の少なくとも一部を圧縮するリサイクル空気圧縮機を有する。廃ガスの少なくとも一部とは、例えば廃ガス中の２０重量％以上９０重量％以下であり、好ましくは４０重量％以上８０重量％以下である。リサイクル空気圧縮機により圧縮された圧縮リサイクル空気は精留塔に供給され、精留される。圧縮リサイクル空気は、精留塔に供給される前に主熱交換器に導入され、冷却されても良い。原料空気にくわえて、リサイクル空気も精留塔に導入することにより、精留に必要とされるガス流を確保することができる。また、廃ガスをリサイクル空気として再度精留することにより、窒素の回収率を向上させることができる。

【0016】

凝縮部において蒸発した廃ガスのうち、リサイクル空気圧縮機へ導入されない部分は、廃ガスラインから主熱交換器へと導入され、主熱交換器内部で原料空気との熱交換を行うための寒冷として利用される。
このように廃ガスを寒冷として利用することにより、本発明にかかる窒素製造装置のエネルギー効率を向上させることができる。

【0017】

（発明３）
上記発明のいずれかに記載の窒素製造装置の凝縮部（９）は、第二凝縮器（６）と第一凝縮器（７）を備えてもよい。該窒素製造装置において、前記リサイクル空気取出ライン（３４）は、前記第一凝縮器（７）で蒸発するガスの少なくとも一部を前記リサイクル空気圧縮機（１２）に導入するように凝縮部に配置される。前記廃ガスライン（４３；４３２）は、前記第二凝縮部（６）で蒸発するガスの少なくとも一部を前記主熱交換器（１）に導入するように配置しても良い。

【0018】

（発明４）
上記発明のいずれかにおいて、酸素富化液が、前記酸素富化液導入ライン（３１）を経由して前記第一凝縮器（７）に供給された後に、前記第二凝縮器（６）に供給されてもよい。

【0019】

第二凝縮器と、第一凝縮器との蒸発側圧力は同等でもよいが、異なっていても良い。蒸発側圧力が異なる場合、第二凝縮器から蒸発するガスは廃ガスとして主熱交換器に供給し、第一凝縮器から蒸発するガスをリサイクル空気圧縮機に供給しても良い。
酸素富化液は、酸素富化液導入ライン（３１）を経由して、精留塔（５）底部から凝縮部へと導入される。このとき、酸素富化液はまず、第一凝縮器に導入された後に、第二凝縮器に導入しても良い。このように酸素富化液を導入することにより、第一凝縮器と第二凝縮器とは異なる蒸発圧力を有するようにすることができる。
比較的高い蒸発側圧力を有する第一凝縮器から排出される廃ガスは、リサイクル空気として、圧縮し、再度精留塔で精留される。比較的低い蒸発側圧力を有する第二凝縮器から排出される廃ガスは主熱交換器において寒冷として利用された後に排出される。このように圧力の比較的高い廃ガスを圧縮する構成とすることにより、効率的に圧縮を行うことが可能となる。
主熱交換器に供給された排ガスは、主熱交換器内部で原料空気との熱交換を行うための寒冷として利用される。このように廃ガスを寒冷として利用することにより、本発明にかかる窒素製造装置のエネルギー効率を向上させることができる。
リサイクル空気圧縮機に供給されたガスは、圧縮されて、リサイクル空気として精留塔に供給され、精留される。原料空気にくわえて、リサイクル空気も精留塔に導入することにより、精留に必要とされるガス流を確保することができる。また、廃ガスをリサイクル空気として再度精留することにより、窒素の回収率を向上させることが可能となる。

【0020】

（発明５）
上記発明のいずれかに記載の窒素製造装置は、前記廃ガスライン（４３；４３２）から前記主熱交換器（１）を経由して供給された前記廃ガスを膨張させて低温廃ガスとする第三タービン（１３）をさらに備え、前記第三タービン（１３）の軸端は、前記リサイクル空気圧縮機（１２）の軸端に接続されてもよい。

【0021】

第三タービンには、主熱交換器内部で、原料空気との熱交換を行うことにより寒冷を放出した廃ガスが導入される。第三タービンでは導入された廃ガスを膨張させ、冷却させることにより低温廃ガスとする。得られた低温廃ガスを再度主熱交換器へ導入させ、原料空気との熱交換を行う寒冷として利用することができる。また、第三タービンをリサイクル空気圧縮機に連結し、第三タービンで得られた動力をリサイクル空気の圧縮に使用することにより、エネルギー効率を向上させることが可能となる。このように寒冷を利用することにより、窒素製造装置のエネルギー効率を向上させることが可能となる。

【0022】

（発明６）
上記発明のいずれかに記載の窒素製造装置はさらに、前記圧縮リサイクル空気を前記主熱交換器（１）で冷却させる圧縮リサイクル空気冷却ライン（４２）を備える。

【0023】

リサイクル圧縮機から導出される圧縮リサイクル空気を直接精留塔へ導入することもできるが、主熱交換器で冷却させてから精留塔へ導入しても良い。主熱交換器で冷却させることにより、主熱交換器へ導入される寒冷を有効に利用することが可能となり、窒素製造装置のエネルギー効率を向上させることが可能となる。

【0024】

（発明７）
窒素製造装置の精留塔（５）は、前記第一精留部（１８）の下方に配置される第二精留部（１９）を備えてもよい。かかる窒素製造装置において、低温原料空気は、前記第一精留部（１８）位置よりも下部であって前記第二精留部（１９）位置よりも上部に導入され、前記圧縮リサイクル空気は、前記第二精留部（１９）位置よりも下部に導入される。

【0025】

リサイクル空気中の酸素濃度は、原料空気中の酸素濃度よりも高い。したがって、精留塔に導入する際にリサイクル空気を原料空気よりも下方に導入すると、さらに精留の効率を高めることが可能となる。

【0026】

（発明８）
本発明にかかる窒素製造装置は、原料空気圧縮機（６１）により圧縮され、除去部において所定の不純物を除去された原料空気をさらに圧縮する第一圧縮機（１４）と、
前記第一圧縮機（１４）から導出された原料空気を冷却する第一冷却器（１６）と、
前記第一冷却器（１６）から導出された原料空気をさらに圧縮する第二圧縮機（１５）と、
前記第二圧縮機（１５）から導出された原料空気を冷却する第二冷却器（１７）と、をさらに備えてもよい。

【0027】

第二タービン（３）の軸端は、第一圧縮機（１４）および/または第二圧縮機（１５）の軸端に接続される。同様に第一タービン（２）の軸端は、第一圧縮機（１４）および/または第二圧縮機（１５）の軸端に接続される。これにより第一タービン（２）の動力を第一圧縮機（１４）および/または第二圧縮機（１５）における原料空気の圧縮に利用することが可能となる。同様に、第二タービン（３）の動力を第一圧縮機（１４）および/または第二圧縮機（１５）における原料空気の圧縮に利用することが可能となる。このため、エネルギー効率をさらに高めることができる。
第一圧縮機（１４）の後段には、第一圧縮機（１４）で圧縮された原料空気を冷却する第一冷却器（１６）が配置されても良い。第二圧縮機（１５）の後段には、第二圧縮機（１５）で圧縮された原料空気を冷却する第二冷却器（１７）が配置されても良い。
なお、第一タービン（２）、第二タービン（３）、および第三タービン（１３）の軸端は、それぞれ独立してリサイクル空気圧縮機（１２）、第一圧縮機（１４）、および第二圧縮機（１５）のいずれか少なくとも１つの軸端に接続されていても良い。

【0028】

（発明９）
本発明に係る窒素製造装置はまた、
外部より取り入れた空気を圧縮する原料空気圧縮機（６１）と、
前記原料空気圧縮機（６１）で圧縮された前記空気から所定の不純物を除去して原料空気とする除去部（６２）と、をさらに含んでも良い。

【0029】

以上に述べた窒素製造装置によれば、窒素製造装置によって回収される窒素の一部または全部を液体窒素として取り出すことが可能となる。このため、ガス窒素を液化するための液化装置が不要となり、より簡便で安価な機器により液体窒素を製造することが可能となる。また、窒素を作動流体とした冷凍サイクルで寒冷を発生させる場合と比較して、上記の発明では窒素ガスを圧縮する必要がなく、空気のみを圧縮することから、エネルギー効率を向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】本実施形態にかかる窒素製造方法の工程を示すフロー図である。

【図2】実施形態１の窒素製造装置の構成例を示す図である。

【図3】実施形態１の窒素製造装置の別の構成例を示す図である。

【図4】実施形態１の窒素製造装置の別の構成例を示す図である。

【図5】実施形態２の窒素製造装置の構成例を示す図である。

【図6】実施形態３の窒素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】

【0031】

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。

【0032】

本発明にかかる窒素製造方法のフローについて、図１を参照し説明する。

【0033】

（圧縮工程）
図１に示す圧縮工程は、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工程である。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。
図２に示す窒素製造装置１００においては、原料空気圧縮機６１で圧縮工程を実施する。
圧縮工程はあってもなくてもよく、圧縮工程がない場合には、圧縮された原料空気を外部から導入する工程を有しても良い

【0034】

（除去工程）
除去工程は、圧縮工程で圧縮された原料空気から所定の不純物を除去する工程である。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。
除去工程で所定の不純物を除去された原料空気のうち、一部は第二膨張工程へ送られる。第二膨張工程へ送られない原料空気は予冷工程へと送られる。
図２では、除去部６２において除去工程を実施する。
除去工程はあってもなくてもよく、除去工程がない場合には、所定の不純物を除去した、圧縮された原料空気を外部から導入する工程を有しても良い。

【0035】

上記圧縮工程および除去工程は、実施してもよく、いずれか一方の工程または両方の工程を実施しなくても良い。圧縮工程を実施しない場合、所定の圧力を有する空気を受け入れてもよい。除去工程を実施しない場合、不純物含有量が所定の値以下である空気を受け入れても良い。

【0036】

（第二膨張工程）
第二膨張工程は、除去工程で所定の不純物を除去された原料空気の少なくとも一部を膨張冷却させる工程である。膨張冷却された原料空気は第二低温空気となる。原料空気の膨張冷却には膨張タービン（図２中の３で示す）が使用される。
第二膨張工程で膨張タービンから導出された第二低温空気は、主熱交換器（図２中の１で示す）の中間部へ導入され、後述する予冷工程において、第二膨張工程を経由していない原料空気との熱交換を行った後に、主熱交換器の温端から導出される。
第二低温空気が主熱交換器に導入される場合の導入位置（第一導入位置とする。図２中の５１で示す）とは、主熱交換器の温端と冷端の間であれば良く、主熱交換器の温端と冷端の中央から冷端側であってもよい。第二膨張工程を経由しない原料空気が、主熱交換器に導入されるときの温度をＴ_ｉｎとし、主熱交換器から導出されるときの温度をＴ_ｏｕｔとした場合、第一導入位置は、第二膨張工程を経由しない原料空気の温度がＴ_ｉｎよりも低くＴ_ｏｕｔよりも高い温度（Ｔ_ｍ１とする）である位置としてもよい。Ｔ_ｍ１の温度の範囲は、好ましくは下記の式（１）が成立する範囲とすることができる。
Ｔ_ｉｎ―（Ｔ_ｉｎ―Ｔ_ｏｕｔ）×０．９ ＜ Ｔ_ｍ１ ＜ Ｔ_ｉｎ―（Ｔ_ｉｎ―Ｔ_ｏｕｔ）×０．５ ・・・（１）

【0037】

（予冷工程）
予冷工程は、除去工程で所定の不純物が除去された原料空気の少なくとも一部を、主熱交換器における熱交換により、第一温度まで冷却し、予冷原料空気とする工程である。
第一温度は前記Ｔ_ｉｎよりも低く、前記Ｔ_ｏｕｔよりも高い温度Ｔ_ｍ１と同等の温度である。
予冷工程においては、第二膨張工程を経由していない原料空気と、第二低温空気および／または後述する第一低温空気との熱交換が行われる。
予冷工程を経由した原料空気のうち一部は冷却工程へ送られる。予冷工程を経由した原料空気のうち、冷却工程へ送られない原料空気は第一膨張工程へ送られる。

【0038】

（冷却工程）
冷却工程は、予冷工程で冷却された原料空気の少なくとも一部を、第一温度よりも低い第二温度まで冷却し、低温原料空気とする工程である。第二温度は、前記Ｔ_ｏｕｔと同等の温度である
冷却工程においては、予冷工程を経由した原料空気と、後述する第一低温空気との熱交換が行われる。

【0039】

（第一膨張工程）
第一膨張工程は予冷工程で冷却された原料空気の少なくとも一部を膨張冷却させる工程である。膨張冷却された原料空気は第一低温空気となる。原料空気の膨張冷却には膨張タービンが使用される。
第一膨張工程で膨張タービンから導出された第一低温空気は、主熱交換器の冷端へ導入され、冷却工程において予冷原料空気との熱交換を行った後に、主熱交換器の温端から導出される。

【0040】

（第一導入工程）
第一導入工程は、冷却工程で原料空気を冷却することにより得られた低温原料空気を、精留塔（図２中に５で示す）に導入する工程である。精留塔は第一精留部を有する。低温原料空気は、精留塔の第一精留部位置よりも下部に導入される。
低温原料空気は、精留塔に導入される前に、膨張弁（原料空気膨張弁、図２中に４で示す）を経由することにより膨張され、一部が液化されて原料液化空気とされても良い。
第一導入工程により精留塔に導入された低温原料空気および原料液化空気は、精留され、酸素富化液と窒素ガスに分離される。
酸素富化液は、精留塔に供給された原料液化空気ととともに凝縮部に冷媒として供給される。
窒素ガスは精留塔の塔頂部から凝縮部（図２中の９）に供給され、液化される。

【0041】

（製品液体窒素取出工程）
精留により得られた液体窒素の一部は還流液として精留塔の塔頂部に供給され、他の一部は液体窒素取出工程において製品液化窒素として窒素製造装置から取り出される（図２中の３７）。
取り出された製品液体窒素をさらに冷却するため、液体窒素の一部を減圧して冷媒として使用しても良い。冷媒とする一部の液体窒素と、他の液体窒素とを主熱交換器を通じて熱交換させても良い。製品液体窒素をサブクーラにより熱交換させても良い。

【0042】

（リサイクル空気圧縮工程）
リサイクル空気圧縮工程は、精留塔の塔上部に配置される凝縮部から取り出された廃ガス(リサイクル空気)を圧縮機（図２中の１２）により圧縮する工程である。凝縮部から取り出された廃ガスの一部はリサイクル空気圧縮工程へ送られる。リサイクル空気圧縮工程へ送られなかった廃ガスは、主熱交換器の冷端に供給されてもよい、主熱交換器において、廃ガスと、原料空気および／または予冷原料空気との熱交換が行われても良い。

【0043】

（第二導入工程）
第二導入工程は、精留塔の第一精留部位置よりも下部に、前記リサイクル空気圧縮工程で圧縮された圧縮リサイクル空気を導入する工程である。精留塔が、第一精留部の下方に配置される第二精留部を有する場合には、第二精留部位置よりも下部に圧縮リサイクル空気を導入しても良い。

【0044】

（実施形態１）
実施形態１の窒素製造装置について、図２を参照し説明する。
実施形態１に係る窒素製造装置１００は、原料空気圧縮機６１と、除去部６２と、主熱交換器１と、原料空気膨張弁４と、精留塔５と、を備える。精留塔５は第一精留部１８と凝縮部９を有する。
窒素製造装置１００はさらに、主原料空気供給ライン２８と、第一分岐ライン２５と、
第一タービン２と、第一低温空気導入ライン２６と、第二分岐ライン２３と、第二タービン３と、第二低温空気導入ライン２４と、リサイクル空気取出ライン３４と、廃ガスライン４３と、リサイクル空気圧縮機１２と、リサイクル空気導入ライン３６と、製品液体窒素取出ライン３７と、を備える。

【0045】

窒素製造装置１００は深冷分離により液体窒素を製造する装置である。液体窒素のみを製造することもできるが液体窒素のほか、ガス窒素を製造しても良い。
原料空気圧縮機６１は外部より取り入れた原料空気（例えば原料空気量は１０００Ｎｍ^３／ｈである）を圧縮する圧縮機である。
除去部６２は所定の不純物を除去する精製ユニットである。吸着、冷却等の既知の方法により精製を行うユニットであってもよい。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。

【0046】

主熱交換器１は、除去部６２で不純物が除去された原料空気を冷却する熱交換器である。主熱交換器１内部では、原料空気と、後述する第一低温空気および／または第二低温空気とが熱交換を行う。これにより、原料空気はその液化点近くまで冷却される。
主熱交換器１では、原料空気が第一温度まで冷却されて予冷原料空気とされた後に、予冷原料空気がさらに第二温度まで冷却され、低温原料空気とされる。低温原料空気はガス状であってもよく、一部が液化していても良い。原料空気の温度は例えば、主熱交換器１導入時にはー４０℃であり、第一温度（例えばー９０℃）まで予冷されて予冷原料空気となる。

【0047】

第二分岐ライン２３は、主原料空気供給ライン２８から、主熱交換器１より前段で分岐されたラインである。除去部６２を経由した原料空気のうち一部は主原料空気供給ライン２８を通じて主熱交換器１に供給され、他の一部は第二分岐ライン２３へと分流される。第二分岐ライン２３を通じて原料空気は第二タービン３へ導入される。
第二タービン３は、第二分岐ライン２３から供給された第二分流原料空気を膨張させて第二低温空気とする膨張タービンである。原料空気は、第二タービン３における膨張冷却により、第二低温空気となる。第二低温空気の温度は、例えば―１８０℃からー１９２℃である。
第二タービン３から導出された第二低温空気は、主熱交換器１の中間部へ導入され、第二タービン３を経由していない原料空気との熱交換を行った後に、主熱交換器１の温端から導出される。第二低温空気導入ライン２４は、第二低温空気を第二タービン３から主熱交換器１に導入するラインである。
第二低温空気が主熱交換器１に導入される場合の導入位置（第一導入位置５１とする）とは、主熱交換器１の温端と冷端の間であれば良く、主熱交換器１の温端と冷端の中央から温端側であってもよい。第二タービン３を経由しない原料空気が、主熱交換器１に導入されるときの温度をＴ_ｉｎとし、主熱交換器１から導出されるときの温度をＴ_ｏｕｔとした場合、第一導入位置５１は、第二タービン３を経由しない原料空気の温度がＴ_ｉｎよりも低くＴ_ｏｕｔよりも高い温度（Ｔ_ｍ１とする）である位置としてもよい。Ｔ_ｍ１の温度の範囲は、好ましくは下記の式（１）が成立する範囲とすることができる。
（Ｔ_ｉｎ＋Ｔ_ｏｕｔ）×０．５ ＜ Ｔ_ｍ１ ＜ （Ｔ_ｉｎ＋Ｔ_ｏｕｔ）×０．９ ・・・（１）
第二低温空気導入ライン２４から主熱交換器１に導入された第二低温空気は、第二タービン３を経由しない原料空気との熱交換を行った後、主熱交換器１外部へと放出される。

【0048】

第一分岐ライン２５は、主原料空気供給ライン２８から、主熱交換器内部で分岐されたラインである。主原料空気ライン２８を通じて主熱交換器１に導入された原料空気は、第一温度まで冷却されて、予冷原料空気となる。この予冷原料空気の一部は分流され、第一分岐ライン２５を通じて、熱交換器１の外側に配置される第一タービン２へ供給される。
第一タービン２は、第一分岐ライン２５から供給された第一分流原料空気を膨張させて第一低温空気とする膨張タービンである。第一タービン２へ供給されない予冷原料空気は、主熱交換器１の内部でさらに冷却され、低温原料空気となる。
予冷原料空気は、第一タービン２により膨張冷却され、第一低温空気となる。第一低温空気の温度は、例えばー９０℃−１１０℃である。第一低温空気導入ライン２６は、第一低温空気を前記主熱交換器１に導入するラインである。
第一低温空気導入ライン２６を通じて主熱交換器１に導入された第一低温空気は、第一タービン２および第二タービン３を経由しない原料空気との熱交換をされた後に、主熱交換器１の温端から外部へと放出される。

【0049】

原料空気膨張弁４は、原料空気を前記主熱交換器１において冷却させることにより得られた低温原料空気を膨張させる膨張弁である。
主原料空気供給ライン２８は、主熱交換器１を経由させた原料空気を精留塔５に供給するラインである。

【0050】

原料空気膨張弁４を経由した低温原料空気および原料液化空気は、精留塔５に導入され、精留塔５内を上昇し、精留される。精留塔５は、下方に第一精留部１８を有し、塔上部に配置される凝縮部９を有する。精留塔５の運転圧力範囲は５ｂａｒＡ〜２０ｂａｒＡであり、運転圧力は例えば９ｂａｒＡとすることができる。また、精留塔５の理論段数は４０〜１００段であり例えば６０段とすることができる。第一精留部１８における精留により、精留塔５下部では酸素富化液が分離され、精留塔５上部では窒素ガスが分離される。精留塔５下部から酸素富化液の少なくとも一部を導出し、酸素富化液導入ライン３１を通じて凝縮部９へ導入することにより、凝縮部９が冷却される。

【0051】

凝縮部９には、低沸点不純物を多く含む廃ガスが分離される。リサイクル空気取出ライン３４は、凝縮部９のある位置から廃ガス（リサイクル空気）を取り出すラインである。リサイクル空気取出ライン３４の位置は、凝縮部のガスを導出できる位置であれば良く、好ましくは凝縮部９の上部である。

【0052】

リサイクル空気圧縮機１２は、リサイクル空気取出ライン３４から供給された廃ガスの少なくとも一部を圧縮し、圧縮リサイクル空気とする圧縮機である。
リサイクル空気導入ライン３６は、リサイクル空気圧縮機１２から導出された圧縮リサイクル空気を精留塔５の第一精留部１８位置よりも下部から前記精留塔５に導入するラインである。圧縮リサイクル空気は、主原料空気供給ライン２８から供給される低温原料空気および原料液化空気とともに精留塔５内部で精留される。

【0053】

リサイクル空気圧縮機１２には廃ガスの一部が導入され、リサイクル空気圧縮機１２へ送られない廃ガスは、廃ガスライン４３を通じて、第一低温空気導入ライン２６に合流し、主熱交換器１に導入されても良い。廃ガスライン４３は、凝縮部９から直接主熱交換器１に導入するラインであっても良いが、リサイクル空気取出ライン３４から分岐されて、主熱交換器１へと導入されるラインであっても良い。

【0054】

図３に示す窒素製造装置１０１のように、第一低温空気導入ライン２６とは合流せずに、廃ガスを廃ガスライン４３から直接主熱交換器１の冷端から導入し、熱交換を行った後に主熱交換器１の温端から導出しても良い。
廃ガスライン４３を通じて主熱交換器１の冷端に導入された廃ガスは、主熱交換器１内部で原料空気および／または予冷原料空気との熱交換を行った後に、主熱交換器１の温端から導出される。

【0055】

図４に示す窒素製造装置１０２のように、廃ガスライン４３から主熱交換器１を経由して供給された廃ガスを膨張させて低温廃ガスとする第三タービン１３をさらに備えてもよい。第三タービン１３から排出される低温廃ガスは、主熱交換器１において原料空気および／または予冷原料空気との熱交換を行った後に、主熱交換器１の温端から導出されても良い。このように構成することにより、低温廃ガスの寒冷を利用することができる。
さらに第三タービン１３とリサイクル空気圧縮機１２を連結させても良い（不図示）。このように構成させることにより第三タービン１３で回収される動力をリサイクル空気の圧縮に転用させることができ、電力効率が向上する。

【0056】

製品液体窒素取出ライン３７は、精留塔５から製品液体窒素を取り出すラインである。精留塔５内を上昇し、凝縮部９において凝縮して環流液として再度精留塔５内に導入された液体窒素は、製品液体窒素取出ライン３７から取り出される。

【0057】

別実施形態として、原料空気圧縮機６１および除去部６２を有しない窒素製造装置であってもよい。この場合には、圧縮され、所定の不純物を除去された原料空気を外部から受け入れ、主原料空気供給ライン２８により窒素製造装置１００に供給する。

【0058】

（実施形態２）
実施形態２の窒素製造装置１０３について、図５を参照し、説明する。実施形態１の窒素製造装置１００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。
図５に示すように、凝縮部９は第二凝縮器６と、前記第二凝縮器６の上部に配置される第一凝縮器７を備えてもよい。リサイクル空気取出しライン３４は、第一凝縮器７で蒸発するガスの少なくとも一部をリサイクル空気圧縮機１２に導入するように凝縮部に配置される。凝縮部９は、第二凝縮器６で蒸発するガスの少なくとも一部を主熱交換器１に導入する廃ガスライン４３２を備える。

【0059】

第一凝縮器７は、第二凝縮器６よりも高い蒸発側圧力を有しても良い(例えば、第二凝縮器６が５ｂａｒＡに対して、第一凝縮器７が６．５ｂａｒＡとしてもよい)。上部に配置される凝縮器（すなわち第一凝縮器７）の圧力を、下部に配置される凝縮器（すなわち第二凝縮器６）よりも高くすることにより、リサイクル空気圧縮機の吸入圧力をより高くすることができ、エネルギー効率が向上させることが可能となる。
第一凝縮器７で蒸発する廃ガス（リサイクル空気）の少なくとも一部はリサイクル空気取出ライン３４を通じてリサイクル空気圧縮機１２に導入される。廃ガスはリサイクル空気圧縮機１２により圧縮リサイクル空気となる。圧縮リサイクル空気は、そのまま精留塔５に導入されることも出来るが、冷却された後に精留塔５に導入されても良い。圧縮リサイクル空気は、独立した冷却器(不図示)で冷却することも出来るが、圧縮リサイクル空気冷却ライン４２を通じて主熱交換器１に導入し、主熱交換器１の内部で熱交換により冷却しても良い。

【0060】

第二凝縮器６で蒸発するガスの少なくとも一部は廃ガスライン４３２を通じて主熱交換器１に導入される。主熱交換器１において、原料空気および／または予冷原料空気と熱交換を行うことにより寒冷を放出した廃ガスは、主熱交換器１の温端から導出されても良いが、第三タービン１３に導入されても良い。第三タービン１３において、廃ガスは膨張冷却され、低温廃ガスとなる(温度は例えばー１７５℃である)。低温廃ガスは、低温廃ガス排出ライン４１を通じて再び主熱交換器１に導入され、熱交換を行うことにより寒冷を放出する。

【0061】

第三タービン１３の軸端は、リサイクル空気圧縮機１２の軸端に接続されても良い。このように接続することにより、第三タービン１３で回収された動力をリサイクル空気圧縮機１２に転用することができ、電力効率を向上させることが可能となる。

【0062】

実施形態１および実施形態２において、外部より取り入れた原料空気を圧縮する圧縮機は複数配置されていてもよく、例えば図５に示すように、第一圧縮機１４と、第一圧縮機１４で圧縮された原料空気をさらに圧縮する第二圧縮機１５を備えても良い。第一圧縮機１４および第二圧縮機１５の後段には、それぞれ圧縮された原料空気を冷却する冷却器を配置しても良い(たとえば第一圧縮機１４の後段に配置される第一冷却器１６および第二圧縮機１５の後段に配置される第二冷却器１７)。
第一タービン２で回収される動力を第一圧縮機１４に転用するため、第一タービン２の軸端が第一圧縮機１４の軸端に接続されても良い。同様に、第二タービン３で回収される動力を第二圧縮機１５に転用するため、第二タービン３の軸端が第二圧縮機１５の軸端に接続されても良い。
別実施形態として、第一タービン２、第二タービン３、および第三タービン１３の軸端は、それぞれ独立してリサイクル空気圧縮機１２、第一圧縮機１４、および第二圧縮機１５のいずれか少なくとも１つの軸端に接続されていても良い。

【0063】

実施形態１および実施形態２において、精留塔５の下部には複数の精留部が設けられても良い。例えば、精留塔５は第一精留部１８の下方に配置される第二精留部１９を備えても良い。この場合、原料液化空気および低温原料空気は、第一精留部１８位置よりも下部であって、第二精留部１９位置よりも上部に導入されても良い。一方、圧縮リサイクル空気は、第二精留部１９位置よりも下部に導入されても良い。

【0064】

（実施形態３）
実施形態３の窒素製造装置１０４について、図６を参照し、説明する。実施形態１の窒素製造装置１００ないし１０２、および実施形態２の窒素製造装置１０３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。
図６に示すように、製品液体窒素取出ライン３７にはサブクーラ７１が配置されていても良い。サブクーラ７１により、製品液体窒素はさらに冷却される。製品液体窒素の一部をサブクーラ７１の後段で分流させ、サブクーラ膨張弁７２により膨張冷却して、サブクーラ７１の冷媒として使用することも出来る。第一タービン２から導出された第一低温空気を、冷媒としてサブクーラ７１に導入することも可能である。
サブクーラ７１を通過した製品液体窒素は、寒冷回収のために主熱交換器１に導入された後に排出されても良い。

【0065】

（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４０℃、圧力２２．２ｂａｒＡを有する空気を１５４７Ｎｍ^３／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。

【0066】

（結果）
原料空気圧縮機６１により、外部より取り入れた原料空気圧力は１．０１３ｂａｒＡから２２.７ｂａｒＡへと昇圧される。
その後、除去部６２において炭酸ガス、水分を除去された原料空気は分流され、その一部である１１００Ｎｍ^３／ｈｒ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４０℃である。
主熱交換器１へ導入されない原料空気（４４７Ｎｍ^３／ｈｒ）は、第二分岐ライン２３を経由して第二タービン３へ導入される。温度４０℃の原料空気は、第二タービン３により膨張冷却され、温度がー９２℃に低下した第二低温空気となる。第二低温空気は、主熱交換器１へ導入され、原料空気との熱交換を行ったのち排出される。
第二タービン３を経由せずに主熱交換器１に導入された原料空気は、主熱交換器１の内部で予冷され、予冷原料空気となる。予冷原料空気は分流され、予冷原料空気の一部（２００Ｎｍ^３／ｈｒ）は第一タービン２へと導入される。温度−１１５℃の予冷原料空気は、第一タービン２により膨張冷却され、温度がー１８４℃に低下した第一低温空気となる。第一低温空気は主熱交換器１の冷端に導入され、原料空気および予冷原料空気との熱交換により寒冷を放出した後に排出される。
第一タービン２を経由しない予冷原料空気は、第一低温空気との熱交換により冷却され、温度−１５２℃の低温原料空気となる。
低温原料空気は原料空気膨張弁４によりー１６６℃にまで膨張冷却される。低温原料空気および原料液化空気は精留塔５へ導入され、精留される。精留塔の運転圧は９．９ｂａｒＡである。
精留塔５の塔底部に貯留された、酸素富化液は温度−１７２℃で凝縮部９に導入され、凝縮部９で熱交換を行うことにより廃ガス(リサイクル空気)となる。廃ガス（合計流量１１４０Ｎｍ^３／ｈｒ）の一部（７００Ｎｍ^３／ｈｒ）はリサイクル空気圧縮機１２により圧縮され、精留塔５に再度導入される。リサイクル圧縮機１２に導入されなかった廃ガス（４４０Ｎｍ^３／ｈｒ）は、膨張冷却されて、主熱交換器１に導入される。

【0067】

以上のような構成により、温度−１７０℃、圧力９．８ｂａｒＡの液体窒素（４６０Ｎｍ^３／ｈｒ）を得ることができた。液体窒素製造に必要なエネルギーは０．６ｋＷｈ／Ｎｍ３であり、液化器を使用する必要がないため少ないエネルギーで液体窒素を製造できたといえる。

【0068】

（実施例２）
実施形態２にかかる窒素製造装置１０３（図５に示す）を用いて、原料として窒素７５．６重量％を有し、温度４０℃、圧力１４．０ｂａｒＡを有する空気を１５４７Ｎｍ^３／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。

【0069】

（結果）
原料空気圧縮機６１により、外部より取り入れた原料空気圧力は１．０１３ｂａｒＡから１４．５ｂａｒＡへと昇圧される。
その後、除去部６２において炭酸ガス、水分を除去された原料空気は第一圧縮機１４により１５．０ｂａｒＡまで昇圧される。その後に第一冷却器１６により４０℃まで冷却された原料空気は分流され、その一部である１１００Ｎｍ^３／ｈｒは第二圧縮機１５へ導入される。第二圧縮機１５により２２．６ｂａｒＡまで昇圧された後、第二冷却器１７により４０℃まで冷却された原料空気は主熱交換器１へ導入される。
第二圧縮機１５へ導入されない原料空気（４４７Ｎｍ^３／ｈｒ）は、第二分岐ライン２３を経由して第二タービン３へ導入される。温度４０℃の原料空気は、第二タービン３により膨張冷却され、温度が−９２℃に低下した第二低温空気となる。第二低温空気は、主熱交換器１へ導入され、原料空気との熱交換を行ったのち排出される。
第二タービン３を経由せずに主熱交換器１に導入された原料空気は、主熱交換器１の内部で予冷され、予冷原料空気となる。予冷原料空気は分流され、予冷原料空気の一部（２００Ｎｍ^３／ｈｒ）は第一タービン２へと導入される。温度−１１５℃の予冷原料空気は、第一タービン２により膨張冷却され、温度がー１８４℃に低下した第一低温空気となる。第一低温空気は主熱交換器１の冷端に導入され、原料空気および予冷原料空気との熱交換により寒冷を放出した後に排出される。
第一タービン２を経由しない予冷原料空気は、第一低温空気との熱交換により冷却され、温度−１５２℃の低温原料空気となる。
低温原料空気は原料空気膨張弁４によりー１６６℃にまで膨張冷却され、一部が液化して原料液化空気となる。低温原料空気および原料液化空気は精留塔５へ導入され、精留される。精留塔５の運転圧は９．９ｂａｒＡである。
精留塔５の塔底部に貯留された、酸素富化液は温度−１７２℃で凝縮部９の第一凝縮器７に導入され、第一凝縮器７で熱交換を行うことにより廃ガス(リサイクル空気)となる。第一凝縮器７の蒸発圧力は６．３ｂａｒＡであり、第一凝縮器７内で酸素富化液は蒸発して７００Ｎｍ^３／ｈｒの廃ガス（リサイクル空気）となる。リサイクル空気はリサイクル空気圧縮機１２により１０．０ｂａｒＡまで昇圧された後に主熱交換器１でー１５３℃まで冷却されて、精留塔５へ導入される。
第一凝縮器７において気化しない酸素富化液は、第二凝縮器６へ導入される。第二凝縮器６の蒸発圧力は５．０ｂａｒＡである。第二凝縮器６における熱交換により気化した酸素富化液は廃ガスとして主熱交換器１内に導入され、寒冷を放出したのちに、さらに慣例を利用するため膨張冷却され、主熱交換器１へと導入される。

【0070】

以上のような構成により、温度−１７０℃、圧力９．８ｂａｒＡの液体窒素（４６０Ｎｍ^３／ｈｒ）を得ることができた。液体窒素製造に必要なエネルギーは０．５ｋＷｈ／Ｎｍ３であった。本実施例では、第一圧縮機１４の軸端と第一タービン２の軸端を接続し、第二圧縮機１６の軸端と第二タービン３の軸端を接続し、リサイクル空気圧縮機１２の軸端を第三タービン１３の軸端と接続することにより、膨張により回収される動力を圧縮に転用させている。このため、さらに少ないエネルギーで液体窒素を製造できたといえる。

【符号の説明】

【0071】

1. 主熱交換器
2. 第一タービン
3. 第二タービン
4. 原料空気膨張弁
5. 精留塔
6. 第二凝縮器
7. 第一凝縮器
9. 凝縮部
12. リサイクル空気圧縮機
13. 第三タービン
14. 第一圧縮機
15. 第二圧縮機
16. 第一冷却器
17. 第二冷却器
18. 第一精留部
19. 第二精留部
23. 第二分岐ライン
24. 第二低温空気導入ライン
25. 第一分岐ライン
26. 第一低温空気導入ライン
28. 主原料空気供給ライン
31. 酸素富化液導入ライン
34. リサイクル空気取出ライン
36. リサイクル空気導入ライン
37. 製品液体窒素取出ライン
42. 圧縮リサイクル空気冷却ライン
43. 廃ガスライン
61. 原料空気圧縮機
62. 除去部
100. 窒素製造装置

【要約】

【課題】液体窒素を製造するための、窒素回収率が高く、エネルギー効率が高い窒素製造方法および窒素製造装置を提供する。
【解決手段】原料空気の一部を、主熱交換器１の前段で膨張させて冷却し、膨張されなかった残りの原料空気を主熱交換器１内部で予冷するための寒冷として利用する。また、主熱交換器１内部で予冷された原料空気の一部を主熱交換器１外部へ取り出して膨張させて冷却し、膨張されなかった残りの予冷された原料空気を主熱交換器１内部で冷却するための寒冷として利用する。
【選択図】図２

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】