特開 2024-134911 窒素製造方法及び窒素製造装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024134911

(43)【公開日】2024-10-04

(54)【発明の名称】窒素製造方法及び窒素製造装置

(51)【国際特許分類】

   F25J 3/04 20060101AFI20240927BHJP

【ＦＩ】

F25J3/04 103

【審査請求】有

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023045355

(22)【出願日】2023-03-22

(71)【出願人】

【識別番号】320011650

【氏名又は名称】大陽日酸株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100128358

【弁理士】

【氏名又は名称】木戸 良彦

(74)【代理人】

【識別番号】100086210

【弁理士】

【氏名又は名称】木戸 一彦

(72)【発明者】

【氏名】入澤 真

【テーマコード（参考）】

4D047

【Ｆターム（参考）】

4D047AA08

4D047AB02

4D047BA03

4D047BB09

4D047CA03

4D047CA04

4D047CA16

4D047CA17

4D047DA05

(57)【要約】

【課題】原料空気の圧力が比較的高い場合において、より効率的に運転できる窒素製造装置を提供する。
【解決手段】この窒素製造装置は、原料空気を第１窒素ガスと第１酸素富化液化流体とに分離する第１精留塔１と、第１窒素ガスと減圧した第１酸素富化液化流体とを間接熱交換させて第１窒素ガスから第１液化窒素を得ると同時に第１酸素富化液化流体から第１酸素富化気液混相流体を得る第１凝縮器２と、第１酸素富化気液混相流体を断熱膨張させて寒冷を発生させる膨張タービン６と、断熱膨張後の第１酸素富化気液混相流体を第２窒素ガスと第２酸素富化液化流体とに分離する第２精留塔３と、第２窒素ガスと減圧した第２酸素富化液化流体とを間接熱交換させて第２窒素ガスから第２液化窒素を得ると同時に第２酸素富化液化流体から第２酸素富化ガス流体を得る第２凝縮器４と、を備えている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

原料空気を深冷液化分離して製品窒素を採取する窒素製造方法において、
圧縮、精製、冷却した原料空気を低温蒸留して第１窒素ガスと第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窒素ガスと減圧した前記第１酸素富化液化流体とを間接熱交換させて第１窒素ガスを凝縮液化して第１液化窒素を得ると同時に第１酸素富化液化流体を蒸発ガス化して第１酸素富化気液混相流体を得る第１間接熱交換工程と、
前記第１酸素富化気液混相流体を低温蒸留して第２窒素ガスと第２酸素富化液化流体とに精留分離する第２分離工程と、
前記第２窒素ガスと減圧した前記第２酸素富化液化流体とを間接熱交換させて第２窒素ガスを凝縮液化して第２液化窒素を得ると同時に第２酸素富化液化流体を蒸発ガス化して第２酸素富化ガス流体を得る第２間接熱交換工程と、
前記第１窒素ガスの一部を熱回収後に第１製品窒素ガスとして導出する第１製品回収工程と、を含むことを特徴とする窒素製造方法。

【請求項2】

前記第２液化窒素の一部を加圧して前記第１分離工程に導入する第２液化窒素加圧工程を含む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】

前記第１酸素富化気液混相流体の液の質量分率が１０％以上であることを特徴とする請求項２記載の窒素製造方法。

【請求項4】

前記第２窒素ガスの一部を熱回収後に第２製品窒素ガスとして導出する第２製品回収工程を含む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】

前記第１酸素富化気液混相流体の液の質量分率が１％以上であることを特徴とする請求項４記載の窒素製造方法。

【請求項6】

少なくとも前記第１液化窒素の一部又は前記第２液化窒素の一部を、製品液化窒素として導出する製品液化窒素導出工程を含むことを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の窒素製造方法。

【請求項7】

原料空気を深冷液化分離して製品窒素を採取する窒素製造装置において、
圧縮、精製、冷却された原料空気を低温蒸留して塔上部の第１窒素ガスと塔底部の第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窒素ガスと減圧した前記第１酸素富化液化流体とを間接熱交換させて第１窒素ガスを凝縮液化して第１液化窒素を得ると同時に第１酸素富化液化流体を蒸発ガス化して第１酸素富化気液混相流体を得る第１凝縮器と、
前記第１酸素富化気液混相流体を低温蒸留して塔上部の第２窒素ガスと塔底部の第２酸素富化液化流体とに精留分離する第２精留塔と、
前記第２窒素ガスと減圧した前記第２酸素富化液化流体とを間接熱交換させて第２窒素ガスを凝縮液化して第２液化窒素を得ると同時に第２酸素富化液化流体を蒸発ガス化して第２酸素富化ガス流体を得る第２凝縮器と、
前記第１窒素ガスの一部を熱回収後に第１製品窒素ガスとして導出する第１製品回収経路と、を備えていることを特徴とする窒素製造装置。

【請求項8】

前記第２液化窒素の一部を加圧して前記第１精留塔に導入する液化窒素ポンプを備えていることを特徴とする請求項７記載の窒素製造装置。

【請求項9】

前記第１酸素富化気液混相流体の液の質量分率が１０％以上であることを特徴とする請求項８記載の窒素製造装置。

【請求項10】

前記第２窒素ガスの一部を熱回収後に第２製品窒素ガスとして導出する第２製品回収経路を備えていることを特徴とする請求項７記載の窒素製造装置。

【請求項11】

前記第１酸素富化気液混相流体の液の質量分率が１％以上であることを特徴とする請求項１０記載の窒素製造装置。

【請求項12】

少なくとも前記第１液化窒素の一部又は前記第２液化窒素の一部を、製品液化窒素として導出する製品液化窒素導出経路を備えていることを特徴とする請求項７～１１のいずれか一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、窒素製造方法及び窒素製造装置に関し、詳しくは、深冷液化分離法により原料空気を分離精製して製品窒素（製品窒素ガス・製品液化窒素）を採取する方法及び装置であって、特に、製品収率の高い方法及び装置において、従来よりも低い空気圧力で運転することが可能な窒素製造方法及び窒素製造装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、深冷液化分離法により原料空気を分離精製して製品窒素を採取する方法としては、一つの精留塔を用いて原料空気を製品窒素と酸素が濃縮した廃ガスとに分離させる方法が広く用いられている。一方で、製品収率や動力原単位を改善するためにさまざまな窒素製造のプロセス（以降「プロセス」と記載する。）が提案されている（例えば、特許文献１～特許文献５）。特許文献１～特許文献５で提案されているプロセスでは、二つの精留塔を用い、一つの精留塔を用いた窒素製造方法では廃棄されていた第１精留塔の廃ガスを第２精留塔の原料として更に製品窒素を製造することで、製品収率や動力原単位を大幅に改善することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第３７３８２１３号公報

【特許文献2】特許第４５１５２２５号公報

【特許文献3】特許第４８４１５９１号公報

【特許文献4】特開平５－７１８７０号公報

【特許文献5】特許第４４５１４３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１～特許文献４で提案されているプロセスでは、その性質上、装置運転圧力の下限が存在するため、それより低い圧力の製品窒素が必要な場合には製品窒素を減圧せざるを得ず、エネルギーの損失が生じるという問題がある。このことを以下に詳述する。

【0005】

図４は、特許文献１の図１で開示されている窒素製造装置に相当する系統図である。この窒素製造装置のプロセスでは、主熱交換器７から排出された廃ガス（Ｊ）は、原料空気（Ａ）を精製する精製器１４の再生に使用され大気へ排出される。よって、その上流の第２酸素富化ガス流体（Ｈ）の圧力は、少なくとも大気へ排出されるまでの経路４６，３２の圧力損失分だけ大気圧より高くなる。

【0006】

減圧弁１１ｂで減圧した第２酸素富化液化流体（Ｎ）を蒸発気化させて第２酸素富化ガス流体（Ｈ）を得るために、第２凝縮器４で熱交換する第２窒素ガス（Ｅ）の凝縮液化温度を減圧後の第２酸素富化液化流体（Ｎ）の温度より高くする必要があり、これにより、第２窒素ガス（Ｅ）の圧力は、第２酸素富化ガス流体（Ｈ）の圧力より高くなる。

【0007】

次に、第２窒素ガス（Ｅ）の発生源である第２精留塔３と、その上流の第１酸素富化ガス流体（Ｄ）の圧力の下限は、経路の圧力損失分だけ第２窒素ガスの圧力より高くなる。

【0008】

そして、上述と同じ関係が第１酸素富化ガス流体（Ｄ）、第１凝縮器２、第１窒素ガス（Ｂ）、第１精留塔１、原料空気（Ａ）にも当てはまるため、原料空気（Ａ）の圧力に原理的な下限が存在することとなる。

【0009】

図５は、特許文献２の図１で開示されている窒素製造装置に相当する系統図である。このプロセスでは、廃ガス（Ｊ）と第２酸素富化ガス流体（Ｈ）の圧力差を利用して寒冷を発生する膨張タービン６が設けられるため、第２酸素富化ガス流体（Ｈ）の圧力は特許文献１で開示されているプロセスより高くなる。膨張タービン６の圧力差が加わるものの、大気へ排出される廃ガス（Ｊ）を起点として原料空気（Ａ）の圧力の下限が原理的に決まる関係は、特許文献１で開示されているプロセスと同じである。

【0010】

また、特許文献３の図２で開示されている窒素製造装置は、膨張タービン（特許文献３の図２の符号７２）の位置が特許文献１で開示されている窒素製造装置と異なるものの、廃ガスを起点として原料空気圧力の下限が決まる関係は、やはり特許文献１で開示されているプロセスと同じである。

【0011】

また、特許文献４で開示されているプロセスは、第二の精留塔から得られる窒素の導出方法が特許文献１～３で開示されているプロセスとは異なる。すなわち、特許文献１～３で開示されているプロセスでは、いずれも第２精留塔から窒素をガスで取り出すのに対し、特許文献４の図１で開示されている窒素製造装置によるプロセスでは、第２精留塔（特許文献４の図１の符号２００）から窒素を液体（特許文献４の図１の符号２７）で取出し、液化窒素ポンプ（特許文献４の図１の符号６０）を経て第１精留塔（特許文献４の図１の符号１００）に導入する。このような違いはあるものの、特許文献１～３で開示されているプロセスと同じ理由で、原料空気の圧力に下限が存在する。

【0012】

このように特許文献１～４で開示されているプロセスにおいては、それぞれの特徴に応じて値は異なるものの、装置運転圧力の下限が存在するため、必要な製品窒素圧力が下限で製造できる圧力よりも低い場合は減圧せざるを得ず、エネルギーの損失が生じるという課題がある。

【0013】

図６は、特許文献５の図５で開示されている窒素製造装置に相当する系統図である。このプロセスでは、装置運転圧力の下限を特許文献１で開示されているプロセスより低くすることが可能であるが、その代償として後述するように気液分離器や第３凝縮器等の機器数が特許文献１で開示されている窒素製造装置より増えて装置価格が上昇する。

【0014】

すなわち、特許文献１で開示されているプロセスでは第１凝縮器２において第１酸素富化液化流体（Ｌ）の全量を蒸発気化して第１酸素富化ガス流体（Ｄ）を得るのに対し、特許文献５のプロセスでいうと、第１酸素富化液化流体（Ｌ）は減圧後に第１凝縮器２において一部のみがガス化して第１酸素富化気液混相流体（Ｄ）となる。この第１酸素富化液化流体（Ｄ）は混合物なので、一定の圧力下では蒸発が進むに従い温度が上昇するため、気液混相状態における温度は完全に蒸発した状態の温度より低い。したがって、第１凝縮器２において蒸発気化する第１酸素富化液化流体（Ｌ）の圧力が同じなら、その温度は完全に蒸発するよりも一部蒸発して気液混相状態となる場合の方が低いので、それと熱交換する第１窒素ガス（Ｂ）の凝縮液化温度も低くできる。よって、特許文献５で開示されているプロセスによれば、凝縮液化温度が下がる分だけ第１窒素ガス（Ｂ）の圧力を低くできる。

【0015】

特許文献５で開示されている窒素製造装置は、このように圧力の下限を特許文献１で開示されている窒素製造装置より低くできる特徴を備えるものの、第１酸素富化気液混相流体（Ｄ）を第２原料空気（Ｏ）と第２酸素富化液化流体（Ｑ）とに分離する気液分離器９や、第２酸素富化液化流体（Ｑ）を蒸発ガス化する第３凝縮器１０が必要となり、装置価格が上昇する。

【0016】

また特許文献１～５のプロセスは、いずれも第２精留塔の原料がガスであり（特許文献１の図１の経路６０、特許文献２の図１の経路４０、特許文献３の図２の経路４０および経路７３、特許文献４の図１の経路２０、特許文献５の図１の経路３４）、第２精留塔及び第２凝縮器の熱損失を補うために、第１精留塔から液を供給し寒冷補給する別の経路を備える必要がある（特許文献１の図１の経路５５、特許文献２の図１の経路４７、特許文献３の図２の経路４７、特許文献４の図１の経路８及び経路２１、特許文献５の図１の経路５７）。

【0017】

そこで本発明は、従来と同等以下の消費動力で、従来よりも低い圧力での運転を可能とし、かつ機器の数を増やすことなく、さらに流体の経路の数を削減した窒素製造方法及び窒素製造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】

【0018】

上記目的を達成するため、本発明の窒素製造方法は、原料空気を深冷液化分離して製品窒素を採取する窒素製造方法において、圧縮、精製、冷却した原料空気を低温蒸留して第１窒素ガスと第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窒素ガスと減圧した前記第１酸素富化液化流体とを間接熱交換させて第１窒素ガスを凝縮液化して第１液化窒素を得ると同時に第１酸素富化液化流体を蒸発ガス化して第１酸素富化気液混相流体を得る第１間接熱交換工程と、前記第１酸素富化気液混相流体を低温蒸留して第２窒素ガスと第２酸素富化液化流体とに精留分離する第２分離工程と、前記第２窒素ガスと減圧した前記第２酸素富化液化流体とを間接熱交換させて第２窒素ガスを凝縮液化して第２液化窒素を得ると同時に第２酸素富化液化流体を蒸発ガス化して第２酸素富化ガス流体を得る第２間接熱交換工程と、前記第１窒素ガスの一部を熱回収後に第１製品窒素ガスとして導出する第１製品回収工程と、を含むことを特徴としている。

【0019】

また、本発明の窒素製造方法は、前記第２液化窒素の一部を加圧して前記第１分離工程に導入する第２液化窒素加圧工程を含むことを特徴とし、前記第１酸素富化気液混相流体の液の質量分率が１０％以上であると好ましい。

【0020】

また、本発明の窒素製造方法は、前記第２窒素ガスの一部を熱回収後に第２製品窒素ガスとして導出する第２製品回収工程を含むことを特徴とし、前記第１酸素富化気液混相流体の液の質量分率が１％以上であると好ましい。

【0021】

また、本発明の窒素製造方法は、少なくとも前記第１液化窒素の一部又は前記第２液化窒素の一部を、製品液化窒素として導出する製品液化窒素導出工程を含むことを特徴としている。

【0022】

本発明の窒素製造装置は、原料空気を深冷液化分離して製品窒素を採取する窒素製造装置において、圧縮、精製、冷却された原料空気を低温蒸留して塔上部の第１窒素ガスと塔底部の第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窒素ガスと減圧した前記第１酸素富化液化流体とを間接熱交換させて第１窒素ガスを凝縮液化して第１液化窒素を得ると同時に第１酸素富化液化流体を蒸発ガス化して第１酸素富化気液混相流体を得る第１凝縮器と、前記第１酸素富化気液混相流体を低温蒸留して塔上部の第２窒素ガスと塔底部の第２酸素富化液化流体とに精留分離する第２精留塔と、前記第２窒素ガスと減圧した前記第２酸素富化液化流体とを間接熱交換させて第２窒素ガスを凝縮液化して第２液化窒素を得ると同時に第２酸素富化液化流体を蒸発ガス化して第２酸素富化ガス流体を得る第２凝縮器と、前記第１窒素ガスの一部を熱回収後に第１製品窒素ガスとして導出する第１製品回収経路と、を備えていることを特徴としている。

【0023】

また、本発明の窒素製造装置は、前記第２液化窒素の一部を加圧して前記第１精留塔に導入する液化窒素ポンプを備えていることを特徴とし、前記第１酸素富化気液混相流体の液の質量分率が１０％以上であると好ましい。

【0024】

また、本発明の窒素製造装置は、前記第２窒素ガスの一部を熱回収後に第２製品窒素ガスとして導出する第２製品回収経路を備えていることを特徴とし、前記第１酸素富化気液混相流体の液の質量分率が１％以上であると好ましい。

【0025】

また、本発明の窒素製造装置は、少なくとも前記第１液化窒素の一部又は前記第２液化窒素の一部を、製品液化窒素として導出する製品液化窒素導出経路を備えていることを特徴としている。

【発明の効果】

【0026】

本発明によれば、従来と同等以下の消費動力で、従来よりも低い圧力での運転を可能とし、かつ機器の数を増やすことなく、更に流体の経路の数を削減可能な窒素製造方法及び窒素製造装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本発明の窒素製造方法を適用した窒素製造装置の第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適用した窒素製造装置の第２形態例を示す系統図である。

【図3】本発明の窒素製造方法を適用した窒素製造装置の第３形態例を示す系統図である。

【図4】従来の窒素製造装置の一例を示す系統図である。

【図5】従来の窒素製造装置の一例を示す系統図である。

【図6】従来の窒素製造装置の一例を示す系統図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

図１は、本発明の窒素製造方法を適用した窒素製造装置の第１形態例を示す系統図である。なお、以下の説明において、前記図４－６に記載した窒素製造装置の構成要素と同一の構成要素で、同一の機能を有するものには同一符号を付して詳細な説明は省略する。

【0029】

まず、この窒素製造装置１００は、精留塔を２塔備えた二塔型の構成であって、フィルター１２を経て原料空気圧縮機１３で圧縮され、精製器１４で水分や二酸化炭素等の不純物が除去されて精製された後に、保冷外槽１５内の主熱交換器７で冷却された原料空気（Ａ）を深冷液化分離して製品窒素を採取する窒素製造装置である。この窒素製造装置１００は、圧縮、精製、冷却された原料空気（Ａ）を低温蒸留して塔上部の第１窒素ガス（Ｂ）と塔底部の第１酸素富化液化流体（Ｌ）とに分離する第１精留塔１と、第１窒素ガス（Ｂ）と減圧した第１酸素富化液化流体（Ｌ）とを間接熱交換させて第１窒素ガス（Ｂ）を凝縮液化して第１液化窒素（Ｍ）を得ると同時に第１酸素富化液化流体（Ｌ）を蒸発ガス化して液の質量分率が１０％以上の第１酸素富化気液混相流体（Ｄ）を得る第１凝縮器２と、第１酸素富化気液混相流体（Ｄ）を低温蒸留して塔上部の第２窒素ガス（Ｅ）と塔底部の第２酸素富化液化流体（Ｎ）とに精留分離する第２精留塔３と、第２窒素ガス（Ｅ）と減圧した第２酸素富化液化流体（Ｎ）とを間接熱交換させて第２窒素ガス（Ｅ）を凝縮液化して第２液化窒素（Ｆ）を得ると同時に第２酸素富化液化流体（Ｎ）を蒸発ガス化して第２酸素富化ガス流体（Ｈ）を得る第２凝縮器４と、第１窒素ガス（Ｂ）の一部を主熱交換器７で熱回収後に第１製品窒素ガス（Ｃ）として導出する第１製品回収経路３１と、第２液化窒素（Ｆ）の一部を加圧して第１精留塔１に導入する液化窒素ポンプ５と、第２精留塔３に導入され気液分離された第１酸素富化気液混相流体（Ｄ）のガス相の一部を主熱交換器７で熱回収後に断熱膨張させる膨張タービン６と、加圧された第２液化窒素（Ｆ）の一部を製品液化窒素（Ｐ）として導出する製品液化窒素導出経路５０と、第１製品窒素ガス（Ｃ）と製品液化窒素（Ｐ）を除いた残りの流体を合流させて主熱交換器７で熱回収後に廃ガスとして導出する廃ガス導出経路３２と、を備えている。

【0030】

第１精留塔１では、圧縮、精製、冷却後の原料空気（Ａ）は、主熱交換器７から原料空気流入経路３３を通って塔下部に導入され、深冷液化分離法による低温蒸留により、塔上部の第１窒素ガス（Ｂ）と塔底部の第１酸素富化液化流体（Ｌ）とに分離される。塔上部から経路３４に抜き出された第１窒素ガス（Ｂ）は、一部が主熱交換器７で原料空気（Ａ）と熱交換し、熱回収された後に第１製品回収経路３１から第１製品窒素ガス（Ｃ）として導出される。また、残部の第１窒素ガス（Ｂ）は、経路３５を通って第１凝縮器２に導入される。

【0031】

第１精留塔１の下部から抜き出されて減圧弁１１ａで所定圧力に減圧された第１酸素富化液化流体（Ｌ）は、経路３６から第１凝縮器２へ導入され、第１窒素ガス（Ｂ）と間接熱交換を行い、第１窒素ガス（Ｂ）が凝縮液化して第１液化窒素（Ｍ）になると同時に、第１酸素富化液化流体（Ｌ）が部分的に蒸発ガス化して液の質量分率が１０％以上の第１酸素富化気液混相流体（Ｄ）となる。第１液化窒素（Ｍ）は、経路３７を通って第１精留塔１の上部に導入されて還流液となる。

【0032】

一方、第１凝縮器２から導出した第１酸素富化気液混相流体（Ｄ）は、経路３８を通って第２精留塔３に導入される。その導入位置より上部の経路３９から導出されたガスは、ごく一部が経路装置運転の調節代として分岐され、大部分は主熱交換器７に導入され、中間温度まで昇温して抜き出され、膨張タービン流体（Ｉ）として膨張タービン６に流入して断熱膨張することにより、装置の運転に必要な寒冷を発生した後、経路４６を通る第２酸素富化ガス流体（Ｈ）と上述の分岐したガスに合流する。

【0033】

第２精留塔３の下部に導入された第１酸素富化気液混相流体（Ｄ）は、ガス相が低温蒸留により塔上部の第２窒素ガス（Ｅ）と塔底部の第２酸素富化液化流体（Ｎ）とに分離され、液相が第２精留塔３と第２凝縮器４の熱損失を補う。

【0034】

塔上部から抜き出された第２窒素ガス（Ｅ）は、経路４０を通って第２凝縮器４に導入される。

【0035】

第２精留塔３の下部から抜き出されて減圧弁１１ｂで所定圧力に減圧された第２酸素富化液化流体（Ｎ）は、経路４１から第２凝縮器４へ導入され、第２窒素ガス（Ｅ）と間接熱交換を行い、第２窒素ガス（Ｅ）が凝縮液化して第２液化窒素（Ｆ）になると同時に、第２酸素富化液化流体（Ｎ）が蒸発ガス化して第２酸素富化ガス流体（Ｈ）となる。

【0036】

第２液化窒素（Ｆ）の一部は、経路４２を通って第２精留塔３の上部に導入されて還流液となり、残部は経路４３を通り液化窒素ポンプ５で加圧され、その一部が製品液化窒素（Ｐ）として製品液化窒素導出経路５０を通って導出された後、残部は経路４５を通って第１精留塔１の上部に導入され、第１液化窒素（Ｍ）と共に還流液となる。

【0037】

一方、第２凝縮器４から導出した第２酸素富化ガス流体（Ｈ）は、経路４６を通って、前述のとおり膨張タービン６を出たガスおよび調節代のガスと合流し、主熱交換器７で原料空気（Ａ）と熱交換を行って熱回収された後、廃ガス（Ｊ）として廃ガス導出経路３２から導出される。

【0038】

このように形成した精留塔を２塔備えたプロセスにおいては、第１凝縮器２において第１酸素富化液化流体（Ｌ）が部分的に蒸発ガス化して第１酸素富化気液混相流体（Ｄ）となるため、その温度は同じ圧力で全量が蒸発ガス化して第１酸素富化ガス流体となる場合よりも低くなり、それに伴い第１窒素ガス（Ｂ）の凝縮液化温度も低くできるので、第１精留塔１ひいては原料空気（Ａ）の圧力を下げられる。また、特許文献５にあるような第１酸素富化気液混相流体（Ｄ）を気液分離する気液分離器や、液相を蒸発気化させる凝縮器を追加する必要が無い。さらに、第２精留塔３と第２凝縮器４の熱損失を補う液は、第１酸素富化気液混相流体（Ｄ）としてガスと同一の経路３８で第２精留塔３に導入されるため、特許文献１～５のように液を供給する別の経路を備える必要がなく、経路の数を削減できる。

【0039】

図２は、本発明の窒素製造方法を適用した窒素製造装置の第２形態例を示す系統図である。第１形態例の窒素製造装置１００では、膨張タービン６に流入するガスが第２精留塔３から経路３９を通って導出されるのに対し、第２形態例の窒素製造装置２００では第２凝縮器４から導出された第２酸素富化ガス流体（Ｈ）の一部が経路４７を通って膨張タービン６に流入する。

【0040】

第２形態例のように形成したプロセスであっても、精留塔と凝縮器の機能および従来と比べて得られる効果は第１形態例と同じである。

【0041】

図３は、本発明の窒素製造方法を適用した窒素製造装置の第３形態例を示す系統図である。第１形態例の窒素製造装置１００では、膨張タービン６に流入する膨張タービン流体（Ｉ）としてのガスが第２精留塔３から経路３９を通って導出されるのに対し、第３形態例の窒素製造装置３００では原料空気（Ａ）の一部が主熱交換器７で中間温度まで冷却されて抜出され、膨張タービン流体（Ｉ）として膨張タービン６に流入し、断熱膨張することにより、装置の運転に必要な寒冷を発生した後、経路４８を通って第２精留塔３に導入される。

【0042】

第３形態例のように形成したプロセスであっても、精留塔と凝縮器の機能および従来と比べて得られる効果は第１形態例と同じである。

【0043】

なお、第１形態例～第３形態例のいずれにおいても、第２液化窒素（Ｆ）の一部を製品液化窒素（Ｐ）として導出しているが、第１液化窒素（Ｍ）の一部を製品液化窒素として導出してもよい。

【0044】

なお、第１形態例～第３形態例のいずれにおいても、第２精留塔３の塔頂部から導出された第２窒素ガス（Ｅ）が全て経路４０を通って第２凝縮器４に導入されていたが、図４～図６に示すような従来例のように、第２窒素ガス（Ｅ）の一部は経路４０を通って第２凝縮器４に導入され、残部は第２製品回収経路４９を通って第２製品窒素ガス（Ｇ）として取り出すようにしてもよい。

【0045】

また、上述のように、第２窒素ガス（Ｅ）を部分的に取出して第２製品窒素ガス（Ｇ）とする場合には、第２精留塔３の熱損失は比較的少ないので、熱損失を補うための液の量も少なく、第１酸素富化気液混相流体（Ｄ）の液の質量分率は概ね１％となる。一方、第１形態例～第３形態例のように、第２液化窒素（Ｆ）を部分的に取出して液化窒素ポンプ５へ送る場合は、第２精留塔３の熱損失は大きいので、第１酸素富化気液混相流体（Ｄ）の液の質量分率は少なくとも１０％以上であり、条件によっては後述する実施例のように２０％を超える。

【実施例0046】

（実施例１）
図１に示した構成の窒素製造装置１００を実施例１として、また図４に示した特許文献１で開示されている構成を持つ窒素製造装置を比較例１として、両者についてシミュレーションを行った結果を表１に示す。

【0047】

【表1】

【0048】

表１中で、各部の流量は比較例１における原料空気の流量を１００とした相対値で示し、圧力（ＭＰａ）は絶対圧力を示し、液化率は各部の液量を質量分率で示している。この２つのシミュレーションでは、同じ流量、圧力及び純度（酸素濃度）の製品窒素ガスを製造し、製品液化窒素は製造しない。また発明の効果を明示するために、廃ガスの圧力を同じとし、経路の圧力損失および凝縮器の温度差を同じとしたときに、原料空気の圧力に違いが出ることを表している。

【0049】

すなわち、比較例１では、原料空気量１００で製品窒素ガス量６０（第１製品窒素ガスと第２製品窒素ガスの合計）を製造し、廃ガスの圧力０．１２ＭＰａにおいて原料空気の圧力が０．８６ＭＰａとなる。対する実施例１では、原料空気量１０７で製品窒素ガス量６０（第１製品窒素ガス）を製造し、廃ガスの圧力０．１２ＭＰａにおいて原料空気の圧力が０．７８ＭＰａとなる。

【0050】

より詳細に見ると、第２凝縮器４において全量が蒸発気化した第２酸素富化ガス流体の圧力が０．１５ＭＰａのとき、第２凝縮器４において同じ温度差で第２酸素富化ガス流体と熱交換する第２窒素ガスの圧力は、比較例１で０．４３ＭＰａ、実施例１で０．４１ＭＰａとなる。第２酸素富化ガス流体の圧力、液化率と第２凝縮器の温度差が同じにもかかわらず第２窒素ガスの圧力が異なるのは、第２酸素富化ガス流体の組成が異なるためである。

【0051】

つまり、実施例１の収率（製品窒素ガス量と原料空気量の割合）は比較例１より低いので、第２酸素富化ガス流体の酸素濃度が低くなり、同じ圧力における蒸発気化温度が低くなる結果、第２窒素ガスの凝縮液化温度ひいては圧力が低くなるためである。

【0052】

次に第１凝縮器２を見ると、実施例１と比較例１とで冷流体（第１酸素富化気液混相流体と第１酸素富化ガス流体）の液化率が異なることに加えて、上述のとおり第２凝縮器４においても第２窒素ガスの圧力に違いが出るため、第１凝縮器２における温度差と経路の圧力損失が同じでも、第１窒素ガスの圧力ひいては原料空気の圧力は実施例１の方が低くなる。

【0053】

このように、実施例１は比較例１と同じ数の機器で、より低い圧力の製品窒素ガスを製造できる。

【0054】

次に、この状態における消費動力を表２に示す。表２中の各機器の消費動力は、比較例１の消費動力の合計を１００とした相対値で表している。

【0055】

【表2】

【0056】

実施例１は、比較例１に比べて空気量は増えるものの原料空気の圧力が大幅に低くなるため、原料空気を供給する原料空気圧縮機１３の動力は微増に留まる。さらに、比較例１で第２製品窒素ガスを圧縮する窒素圧縮機８の動力に比べて、実施例１で第２精留塔３において製造される窒素を第１精留塔１に送る液化窒素ポンプ５の動力は大幅に小さいので、合計の消費動力は実施例１の方が小さくなる。つまり、０．７４ＭＰａの製品窒素ガスが必要な場合、実施例１はそのままの圧力で供給できるのに対して、比較例１は原料空気の圧力を下げられないので、０．８２ＭＰａの製品窒素ガスを減圧して供給せざるを得ず、消費動力の観点から実施例１が効率的である。

【0057】

また、プロセスの違いにより、比較例１では寒冷補給流体（Ｋ）を供給する経路が必要となるのに対し、実施例１ではそれが不要なので経路の数を削減できる。

【0058】

（実施例２）
図２に示した構成の窒素製造装置２００を実施例２として、また図５に示した特許文献２で開示されている構成を持つ窒素製造装置を比較例２として、両者についてシミュレーションを行った結果を表３に示す。

【0059】

【表3】

【0060】

表３中で、各部の流量は比較例２における原料空気の流量を１００とした相対値で示し、圧力（ＭＰａ）は絶対圧力を示し、液化率は各部の液量を質量分率で示している。

【0061】

この状態における消費動力を表４に示す。表４中の各機器の消費動力は、比較例２の消費動力の合計を１００とした相対値で表している。

【0062】

【表4】

【0063】

製品窒素ガス、廃ガスの圧力、経路の圧力損失および凝縮器の温度差の設定は、実施例２および比較例２で同じとしている。この２つのシミュレーションは、いずれも膨張タービン流体の供給源が第２酸素富化ガス流体である。膨張タービン６は、同じ量の寒冷を発生させる場合、入口の圧力が低いほど必要な流量が増えるので、どちらの計算も、第２酸素富化ガス流体のほぼ全量が膨張タービン流体となるまで第２酸素富化ガス流体の圧力を下げているため、この状態が２つのプロセスの下限の圧力となる。その他の比較は表１における説明と同じである。表４に示す消費動力の比較と合わせ、実施例２も従来よりも低い圧力で窒素ガスを製造できることが分かる。

【0064】

（実施例３）
図３に示した構成の窒素製造装置３００を実施例３として、また図６に示した特許文献５で開示されている構成を持つ窒素製造装置を比較例３として、両者についてシミュレーションを行った結果を表５に示す。

【0065】

【表5】

【0066】

表５中の流量は比較例３における原料空気量を１００とした相対値で、圧力と液化率の説明は表１および表３と同じである。また、製品窒素ガス、廃ガスの圧力、経路の圧力損失および凝縮器の温度差の設定は、実施例３および比較例３で同じとしている。なお図６では、図３と同一の構成要素で、同一の機能を有するものは同一符号と名称で示しているので、一部の名称が特許文献５に示された名称と異なる。

【0067】

この状態における消費動力を表６に示す。表６中の各機器の消費動力は、比較例３の消費動力の合計を１００とした相対値で表している。

【0068】

【表6】

【0069】

比較例３のプロセスは、比較例１（特許文献１）より低い圧力の窒素を製造できることを特徴とする一方で、気液分離器９や第３凝縮器１０といった機器が追加される。対する実施例３は、実施例１および実施例２で述べたのと同じ効果により、機器を追加することなく比較例３より低い圧力の窒素を製造できる。また、２つのプロセスの消費動力は表６に示すとおり同等となる。

【符号の説明】

【0070】

１…第１精留塔、２…第１凝縮器、３…第２精留塔、４…第２凝縮器、５…液化窒素ポンプ、６…膨張タービン、７…主熱交換器、８…窒素圧縮機、９…気液分離器、１０…第３凝縮器、１１ａ，ｂ…減圧弁、１２…フィルター、１３…原料空気圧縮機、１４…精製器、１５…保冷外槽、３１…第１製品回収経路、３２…廃ガス導出経路、３３…原料空気流入経路、３４～４８…経路、４９…第２製品回収経路、５０…製品液化窒素導出経路、１００，２００，３００…窒素製造装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】