特許 7360909 水素分離方法および水素分離装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-10-04

(45)【発行日】2023-10-13

(54)【発明の名称】水素分離方法および水素分離装置

(51)【国際特許分類】

   C01B 3/50 20060101AFI20231005BHJP

   F25J 3/02 20060101ALI20231005BHJP

【ＦＩ】

C01B3/50

F25J3/02 101

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2019207922

(22)【出願日】2019-11-18

(65)【公開番号】P2021080125

(43)【公開日】2021-05-27

【審査請求日】2022-08-31

(73)【特許権者】

【識別番号】000222174

【氏名又は名称】東洋エンジニアリング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100096703

【弁理士】

【氏名又は名称】横井 俊之

(72)【発明者】

【氏名】菊池 有美

(72)【発明者】

【氏名】高瀬 洋志

【審査官】小野 久子

(56)【参考文献】

【文献】特開平０５－３０２７８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００７－５０７６８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１９５０７９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平１０－３０６９７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－３１４９１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／２１９８５５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－１３７５９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１２４３９４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０１Ｂ ３／５０

Ｆ２５Ｊ ３／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高圧蒸留塔、低圧蒸留塔、および前記高圧蒸留塔のコンデンサーと前記低圧蒸留塔のリボイラーを兼ねる自己熱交換器より構成される蒸留塔設備により、所定濃度以上とされた水素と、酸素と、窒素とを主成分とする混合気体から、水素と窒素からなる混合物を分離する水素分離方法であって、
前記低圧蒸留塔は１．２～２．０ｂａｒに加圧され、
前記高圧蒸留塔は５～１２ｂａｒに加圧され、
前記高圧蒸留塔の塔頂部から得られる水素と窒素の混合気体の一部を前記自己熱交換器に供給し、残部と前記自己熱交換器で得られる非凝縮蒸気とを、水素と窒素の加圧混合気体として取り出し、
前記自己熱交換器で得られる凝縮液体の一部を、前記高圧蒸留塔の塔頂部領域へ還流し、残部を水素と窒素の混合液体として取り出し、
前記自己熱交換器で得られる凝縮液体の流量を基準としたときの、前記自己熱交換器で得られる非凝縮蒸気の流量の割合を１５～２５ｍｏｌ％とし、
前記自己熱交換器において温度交差が生じないようにすることを特徴とする水素分離方法 。

【請求項2】

前記低圧蒸留塔が前記高圧蒸留塔の上にスタックされ、前記低圧蒸留塔の底部に前記自己熱交換器が設置された請求項１に記載の水素分離方法。

【請求項3】

前記高圧蒸留塔は９．５～１１．０ｂａｒに加圧されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水素分離方法。

【請求項4】

前記低圧蒸留塔は１．２～１．４ｂａｒに加圧されることを特徴とする請求項１～請求項３のいずれかに記載の水素分離方法。

【請求項5】

前記自己熱交換器で得られる凝縮液体の流量を基準としたときの、前記自己熱交換器で得られる非凝縮蒸気の流量の割合を１６～１８ｍｏｌ％とすることを特徴とする請求項１～請求項４のいずれかに記載の水素分離方法。

【請求項6】

前記高圧蒸留塔の塔底から第１液体フラクションを取り出し、熱交換器にて放熱してから、前記低圧蒸留塔の中間領域に供給するとともに、
前記高圧蒸留塔の中間領域から第２液体フラクションを取り出し、熱交換器にて放熱してから、前記低圧蒸留塔における前記第１液体フラクションの供給領域よりも上方の領域に供給することを特徴とする請求項１～請求項５のいずれかに記載の水素分離方法。

【請求項7】

前記水素と窒素の加圧混合気体の一部を加圧した後、前記自己熱交換器で得られた凝縮液体の一部とともに、前記高圧蒸留塔の塔頂部領域へ還流することを特徴とする請求項１～請求項６のいずれかに記載の水素分離方法。

【請求項8】

高圧蒸留塔、低圧蒸留塔、および前記高圧蒸留塔のコンデンサーと前記低圧蒸留塔のリボイラーを兼ねる自己熱交換器より構成される蒸留塔設備により、水素が所定濃度以上とされた水素と酸素と窒素とを主成分とする混合気体から、水素と窒素からなる混合物を分離する水素分離装置であって、
前記低圧蒸留塔は１．２～２．０ｂａｒに加圧され、
前記高圧蒸留塔は５～１２ｂａｒに加圧され、
前記高圧蒸留塔の塔頂部から得られる水素と窒素の混合気体の一部を前記自己熱交換器に供給し、残部と前記自己熱交換器で得られる非凝縮蒸気とを、水素と窒素の加圧混合気体として取り出し、前記自己熱交換器で得られる凝縮液体の一部を、前記高圧蒸留塔の塔頂部領域へ還流し、残部を水素と窒素の混合液体として取り出し、前記自己熱交換器で得られる凝縮液体の流量を基準としたときの、前記自己熱交換器で得られる非凝縮蒸気の流量の割合を１５～２５ｍｏｌ％とし、前記自己熱交換器において温度交差が生じないようにすることを特徴とする水素分離装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水素分離方法および水素分離装置に関し、特に、所定濃度以上とされた水素と、酸素と、窒素とを主成分とする混合気体から、水素と窒素からなる混合物を分離する水素分離方法および水素分離装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、水素酸素混合ガスに窒素を添加し、低温冷媒で冷却して酸素を液化することにより水素から分離する方法を開示している。
また、光触媒と太陽エネルギーを用いて水を分解し、水素や酸素を製造する技術が注目されている。特許文献２は、光触媒を用いた光水分解反応を利用し、系内において水素と酸素とを同時に発生させている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１９－１３７５９７号公報

【文献】特開２０１７－１２４３９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に開示する技術によれば、水素と酸素と窒素の三成分混合気体から水素窒素の混合気体と酸素を分離することが可能ではあるが、工業上、少なくとも２つの問題点がある。１つめは、－２００℃レベルの冷却に外部冷媒を要する点であり、２つめは、酸素留分に窒素が混在するため、そのままでは製品とすることができない点である。仮に酸素を製品として得ようとする場合にはさらに分離工程が必要となってしまう。

【0005】

特許文献２に開示する技術によれば、仕切られていない空間で水素と酸素が同時に生成するため、水と水素と酸素が共存する気液混相状態が生じる。分解反応で生じる気体中の水素と酸素の濃度はそれぞれ６６ｍｏｌ％と３３ｍｏｌ％であり、水素と酸素の比が、所定の温度及び圧力の下である閾値を超えるとわずかな着火エネルギーによって着火する可能性がある。その閾値は常温常圧では４ｍｏｌ％であり、分解後の気体は閾値を超えているため着火の可能性が高く、製品である水素を安全に分離できない。

【0006】

本発明は、水素が所定濃度以上であって上記閾値未満の組成比となる水素と酸素と窒素とを主成分とする混合気体から、水素と窒素からなる混合物および終局的には水素を分離する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、高圧蒸留塔、低圧蒸留塔、および前記高圧蒸留塔のコンデンサーと前記低圧蒸留塔のリボイラーを兼ねる自己熱交換器より構成される蒸留塔設備により、水素が所定濃度以上とされた水素と酸素と窒素とを主成分とする混合気体から、水素と窒素からなる混合物を分離する水素分離方法である。
前記低圧蒸留塔は１．２～２．０ｂａｒ（絶対圧、以下同様）に加圧され、前記高圧蒸留塔は５～１２ｂａｒに加圧され、前記高圧蒸留塔の塔頂部から得られる水素と窒素の混合気体の一部を前記自己熱交換器に供給し、残部と前記自己熱交換器で得られる非凝縮蒸気とを、水素と窒素の加圧混合気体として取り出し、前記自己熱交換器で得られる凝縮液体の一部を、前記高圧蒸留塔の塔頂部領域へ還流し、残部を水素と窒素の混合液体として取り出す。
このとき、前記自己熱交換器で得られる非凝縮蒸気と凝縮液体の割合を１５～２５ｍｏｌ％とし、前記自己熱交換器において温度交差が生じないようにする。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、水素が所定濃度以上とされることで空気とは区別されることを前提とした上で、水素と酸素と窒素とを主成分とする混合気体から、水素と窒素からなる混合物および終局的には水素を分離することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の一実施例にかかる水素製造装置の概略の説明図である。

【図2】気液分離器における空気流量の調整手法を示す説明図である。

【図3】要部の概略構成を示す図である。

【図4】水素分離装置の概略構成を示す図である。

【図5】各生成流の圧力などを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明である水素分離方法および水素分離装置の一実施例を説明する。本明細書においては、以下の構成で説明する。
第１部：光触媒と太陽エネルギーを用いて水を分解するも、連鎖的な燃焼反応が生じないプロセス条件を維持しつつ系内において水素と酸素とを同時に発生させる方法および装置（水素製造装置）。
第２部：水素が所定濃度以上とされた水素と酸素と窒素とを主成分とする混合気体から、水素と窒素からなる混合物を分離する方法および装置（水素分離装置）。

【0011】

（第１部）
図１は、本発明の一実施例にかかる水素製造装置の概略の説明図である。
本水素製造装置１０は、水分解反応を促進する光触媒２１を使用して水を分解して水素を発生させる水循環経路２０を備える。
この光触媒２１は、入水口２１ａと出水口２１ｂとを備える管路であり、内部には光を利用して水分解反応を起こす光触媒シート２１ｃが配設されるとともに、外部の光を透過させて前記光触媒シート２１ｃに到達させるための透明窓２１ｄが備えられている。入水口２１ａから注入される水の一部は、光触媒シート２１ｃの表面に沿って流れる間に外部光が照射されることで水素と酸素に分解され、残りの液相の水内で気泡となる。そして、水素と酸素の気泡が混じりあった気液二相流は、出水口２１ｂから吐出される。

【0012】

水循環経路２０は、気液分離器３０を備えている。気液分離器３０は、気液二相流が流入する第１の入口３１と、気相の気体が排気される第１の出口３２と、液相の液体が排液される第２の出口３３とを備えている。気液分離器３０は縦型の筒型容器であり、上部に前記第１の出口３２が開口しており、下部に前記第２の出口３３が開口している。気液二相流が内部に流入されると、液体が下部に集中し、気体が上部に集中することで気液が分離される。

【0013】

本実施例における気液分離器３０の第１の入口３１は、光触媒２１の出水口２１ｂに連結されている。気液分離器３０には、さらに第２の入口３４が開口しており、同第２の入口３４には送風機４１の吐出口４１ａと連結されている。送風機４１は、吸入口４１ｂから外部の空気を吸入して、気液分離器３０に供給するものであり、流入させる空気量は後述するようにして制御される。送風機４１が気液分離器３０に外部の空気を供給する結果、気液分離器３０の第１の入口３１から吐出される気体には、外部の空気が混じり合い、光触媒２１において水を分解して生成される水素と酸素は希釈される。希釈する目安として、この水循環経路２０において発生する水素の比が、混合後の気相組成比として、４ｍｏｌ％以下となる量の空気を供給することを目標としている。一方、後述するように水素を抽出する前提として酸素や窒素を分離する処理が必要となるので、４ｍｏｌ％を超えて希釈させる場合は希釈しすぎると不要なプロセスが必要となってくる。

【0014】

送風機４１と気液分離器３０とこれらを連通させる管路とにより、生成される水素と酸素を空気で希釈する空気混合機５０を構成する。この空気混合機は、前記水循環経路２０における前記光触媒２１の後段側に備えられていることになる。
気液分離器３０の第２の出口３３は、水ポンプ４２を介して光触媒２１の入水口２１ａに連結されている。水ポンプ４２は気液分離器３０の第２の出口３３から吐出される液相の水を、そのまま光触媒２１の入水口２１ａへと供給するものである。光触媒２１においては、水分解反応によって水素と酸素の気泡が光触媒シート２１ｃの表面から発生する。これらの気泡は水よりも密度が小さいために、気泡には水中を上昇する向きの浮力が働く。そのため、運転条件によっては光触媒２１、および光触媒２１から気液分離器３０に至る経路において、装置上部に気泡が集まり気体の層が形成され得る。

【0015】

一方で、水の流入量が多い場合は、光触媒シート２１ｃの表面から発生する気泡は水とともに流され、光触媒２１内で上部に気体の層を形成する前に出水口２１ｂから出て行く。光触媒２１から気体分離器３０においても同様に、十分大きい水流量の下では装置上部に気体の層が形成されることがなく、気泡流の状態を維持したまま気体分離器３０に至る。本実施例においては、水ポンプ４２は、光触媒２１で分離される水素が水と混じり合った気泡流とさせる水量を供給する。光触媒シート２１ｃ表面で生成される水素や酸素の量は、温度、気圧、光量に応じて変化するが、水ポンプ４２の選択にあたっては、光触媒２１で分離生成される水素を確実に気泡流とさせることができる水量を供給できるものとすればよい。
さらに、水循環経路２０には水供給路４３が備えられている。水分解によって水素と酸素を得る分だけ水が減少する。この減少分を補う水を水供給路４３が供給する。

【0016】

図２は、気液分離器における空気流量の調整手法を示す説明図である。
気液分離器３０における第１の入口３１の流量をＦ31、第１の出口３２の流量をＦ32、第２の出口３３の流量をＦ33、第２の入口３４の流量をＦ34とし、水素の発生量をＦｈとする。

【0017】

分解反応で生じる気体中の水素と酸素の濃度は、それぞれ、６６ｍｏｌ％と ３３ｍｏｌ％であるから、水素の発生量がＦｈであるとき、酸素の発生量は１／２・Ｆｈである。
第１の出口３２の流量Ｆ32は、発生した水素と酸素の発生量と、送風機４１で流入した空気の量F34である。従って、
Ｆ32＝Ｆ34＋Ｆｈ＋１／２・Ｆｈ
＝Ｆ34＋３／２・Ｆｈ （１）式

【0018】

発生した水素の量が、概ね混合空気の４ｍｏｌ％となるようにするということは、
Ｆ32・（４／１００）＝Ｆｈ （２）式
発生する水素と酸素の量は、温度、気圧、入射光の強さの影響を受けて変動する。従って、（１）式と（２）式とから水素と酸素の量に対応するＦｈを削除する。
Ｆ32＝（１００／９４）・Ｆ34 （３）式

【0019】

すなわち、第１の出口３２の流量が、第２の入口３４から送り込む空気量の（１００／９４）倍となっているときに、混合空気の中の約４ｍｏｌ％が水素となっている。他の関係式も導かれるが、第１の出口３２の流量をフィードバックして送風機４１で送り込む空気の量を調整すればよい。

【0020】

このように、水循環経路２０では、気液分離器３０からの排気量であるＦ32を入力して、気液分離器３０に供給する空気量Ｆ34を調整している。空気流量の調整法としては、上述の方法の他、触媒最大性能から推定される最大量の水素・酸素が発生した時に、水素が４ｍｏｌ％以下となるような空気供給量にF34を固定しても良い。太陽の照射量によっては全く水素が発生しないこともあるが、空気量の負荷変動が大きいと、空気分離器が安定に運転できないこともあるので、空気流量の固定もしくは下限内で変動を許容することも可能である。

【0021】

本水素製造装置１０は、前記水循環経路２０に加えて、水素分離装置６０を備えている。水素分離装置６０は、所定の濃度以上とされた水素と、酸素と、窒素の混合気体から、水素と窒素の混合物を分離する。水素と窒素の混合物を分離する装置および方法ではあるが、水素と窒素の分離については多くの公知技術がありこれらで対応できる。従い、本発明は実質上水素分離装置であり、水素分離方法でもある。
前記構成からなる本水素製造装置では、以下のようにして水素を製造する。

【0022】

本水素製造装置１０における水循環経路２０の水ポンプ４２を稼働させ、水循環経路２０内に水を循環させる。光触媒２１の透明窓２１ｄに外部から光が照射されると、同光は循環している水を透過して光触媒シート２１ｃに到達する。光触媒シート２１ｃの表面では、同光触媒シート２１ｃに接している水を水分解する作用が促進され、水素と酸素の気泡が発生する。発生した気泡は光触媒シート２１ｃを離れると重力によって上方へ移動しようとするものの、水が循環しているので水の流れに伴って入水口２１ａの側から出水口２１ｂの側に移動し始める。水の流れが弱い場合は、上昇する気泡が周囲の気泡と接して合体し、大きな気泡となって最終的には装置上部に気体の層を形成する。しかし、本実施例の水ポンプ４２の流量はこのような気泡の合体化を妨げ、気泡が合体するまもなく出水口２１ｂへと押し流される。このようにして水素や酸素は気泡流として水循環経路２０を流下する。

【0023】

発生した水素と酸素は気泡流の状態で水循環経路２０を流下し、気液分離器３０の第１の入口３１から同気液分離器３０内に入る。気液分離器３０の内部は水循環経路２０の管路よりも径が大きいので、水流の速度が低下し、気泡は上昇し、液体としての水は気液分離器３０の下方側にたまる。気泡は気液分離器３０の内部の上部空間に集まろうとするが、送風機４１が第２の入口３４から外部の空気を流入しており、発生した水素と酸素は流入される空気と混合されて希釈される。

【0024】

流入させる空気量Ｆ34は、（３）式に基づいて制御されるため、気液分離器３０の第１の出口３２から吐出される混合空気において、水素が占める割合は４ｍｏｌ％以下となる。
空気の主な組成を、酸素と窒素とその他とすると、混合空気の組成は、水素、酸素、窒素、その他となる。この水素の濃度は、空気中の濃度よりも多く、空気とは明らかに差別される濃度以上である。この混合空気は、水素分離装置６０に供給される。

【0025】

（第２部）
図３は、水素分離装置における要部の概略構成を示す図である。
同図に示すように、本水素分離装置６０は、高圧蒸留塔６１と、低圧蒸留塔６２と、および前記高圧蒸留塔６１のコンデンサーと前記低圧蒸留塔６２のリボイラーを兼ねる自己熱交換器６３とにより構成される蒸留塔設備を備えている。
原料は、水素と、酸素と、窒素とを主成分とする混合気体Ｓ０であり、高圧蒸留塔６１の下方領域に供給されている。ここにおいて水素は空気中の所定濃度と比して十分に高い所定濃度以上であり、４ｍｏｌ％以下が好適である。

【0026】

前記低圧蒸留塔６２は１．２～２．０ｂａｒに加圧され、前記高圧蒸留塔６１は５～１２ｂａｒに加圧されている。
混合気体Ｓ０を前記高圧蒸留塔６１の下方領域に供給することにより、当該高圧蒸留塔６１の塔頂部からは水素と窒素の混合気体が得られる。この水素と窒素の混合気体の一部Ｓ１４を前記自己熱交換器６３に供給し、残部Ｓ１５と前記自己熱交換器６３で得られる非凝縮蒸気Ｓ４とを、水素と窒素の加圧混合気体（Ｓ７，Ｓ８，Ｓ１５）として取り出している。

【0027】

また、前記自己熱交換器６３で得られる凝縮液体Ｓ１３の一部Ｓ２１を、前記高圧蒸留塔６１の塔頂部領域へ還流し、残部Ｓ３を水素と窒素の混合液体として取り出している。
なお、前記自己熱交換器６３で得られる非凝縮蒸気Ｓ４と凝縮液体Ｓ１３の割合は１５～２５ｍｏｌ％とする。
このようにすることで、前記自己熱交換器６３において温度交差が生ずることがなく、所定濃度以上とされた水素と、酸素と、窒素とを主成分とする混合気体から、水素と窒素からなる混合物を安全に分離することができる。

【0028】

自己熱交換器６３において温度交差が生ずると、当然ながら自己熱交換はできなくなる。温度交差に影響を与える要素は多数にわたるため、多次元の条件設定を満遍なく試験することは当業者といえども現実的には不可能である。ある蒸留塔設備において別目的で実施されている諸条件の開示は、目的が異なる他の目的に適用できないのは当業者であれば常識である。このため、目的が異なる他の目的に使用されている諸条件の開示を組み合わせて本発明をなしえるとするはずもない。さらには、本発明は、所定濃度以上とされた水素と、酸素と、窒素とを主成分とする混合気体を原料として、水素と窒素からなる混合物を分離することも過去にはなかった目的といえる。

【0029】

なお、上述した諸条件において、さらに好適な条件設定も可能である。例えば、前記高圧蒸留塔６１を、９．５～１１．０ｂａｒに加圧することが可能である。また、前記低圧蒸留塔６２は１．２～１．４ｂａｒに加圧することが可能である。さらに、前記自己熱交換器６３で得られる非凝縮蒸気と凝縮液体の割合を１６～１８ｍｏｌ％とすることが可能である。これらの範囲を単独あるいは組み合わせて適用することにより、自己熱交換のための温度差をより十分にとることができ、工業的な生産に好適である。

【0030】

図４は、水素分離装置の概略構成を示す図である。
水素分離装置６０は、高圧蒸留塔６１と、低圧蒸留塔６２と、前記高圧蒸留塔６１のコンデンサーと前記低圧蒸留塔６２のリボイラーを兼ねる自己熱交換器６３を備えている。本実施例においては、前記低圧蒸留塔６２が前記高圧蒸留塔６１の上にスタックされ、前記低圧蒸留塔６２の塔底部に前記自己熱交換器６３が設置されている。
また、水素分離装置６０は、その他の主要な構成要素として、対向式熱交換器６４，６５と、ポンプ６６と、コンプレッサー６７と、脱水装置６８と、原料冷却器６９とを備えている。

【0031】

図１の水素製造装置１０は、予め水素濃度が上記閾値に達しないように水素濃度が１ｐｐｍ～６ｍｏｌ％、より好ましくは３～４ｍｏｌ％となるよう空気で希釈した混合気体を生成する。この混合気体は、圧縮され更に水分と二酸化炭素を除去され、本水素分離装置６０に原料として供給される。

【0032】

混合気体は、まず原料冷却器６９に供給される。原料冷却器６９には、この混合気体とともに後述する生成流Ｓ６，Ｓ７が供給されており、向流熱交換によって生成流Ｓ６，Ｓ７よりも温度の高い原料空気が冷却される。冷却された混合気体Ｓ０は、導管を介して高圧蒸留塔６１の塔底部に供給される。高圧蒸留塔６１は、５～１２ｂａｒに加圧され、より好ましくは９．５～１１．０ｂａｒに加圧されている。

【0033】

高圧蒸留塔６１の塔頂部からは水素と窒素の混合蒸気が取り出され、その一部である生成流Ｓ１４は、高圧蒸留塔６１のコンデンサーとしての機能を持つ熱交換器（自己熱交換器）６３で一部凝縮される。凝縮された液体は生成流Ｓ１３となり、凝縮されない水素と窒素の非凝縮蒸気は生成流Ｓ４となる。本実施例においては、前記自己熱交換器６３で得られる非凝縮蒸気の生成流Ｓ４と凝縮液体である生成流Ｓ１３との割合を１５～２５ｍｏｌ％としている。

【0034】

なお、本熱交換器６３は高圧蒸留塔６１の上部（蒸留塔鏡板より上方）にスタックされた低圧蒸留塔６２の内部の塔底部に配置され、低圧蒸留塔６２におけるリボイラーの機能も兼ね備える自己熱交換器である。また、低圧蒸留塔６２は、１．２～２．０ｂａｒに加圧され、より好ましくは１．２～１．４ｂａｒに加圧されている。
高圧蒸留塔６１の塔頂部から取り出される水素と窒素の混合蒸気は、分岐Ａにおいて、前記生成流Ｓ１４と、生成流Ｓ１５とに分岐される。生成流Ｓ１４として自己熱交換器６３に送る水素と窒素の混合気体の量は、自己熱交換器６３での熱交換に影響を与える。すなわち、多ければ多くの熱量が交換され、少なければより少ない熱量が交換される。従って、自己熱交換器６３で温度交差が生じない量となるように、分岐Ａにおいて、生成流Ｓ１４となる量を決めている。

【0035】

生成流Ｓ１４に対して、高圧蒸留塔６１の塔頂部から得られる混合気体の残りの生成流Ｓ１５は、自己熱交換器６３での非凝縮蒸気の生成流Ｓ４と合流される。合流した生成流は分岐Ｂを経て、そのうちの一部の生成流Ｓ７が前述したように導管を経て原料冷却器６９に導かれ、加圧気体水素窒素生成流Ｓ１７として導出される。分岐Ｂで分岐される加圧気体水素窒素生成流Ｓ１７となる水素と窒素の量は原料冷却器６９で必要となる熱交換量で定まることになる。分岐Ｂで分岐される残りは導管を経て熱交換器６５に導かれ、当該熱交換器６５で昇温されてから導管を介して生成流Ｓ８となり、さらに分岐Ｇを経て一部が生成流Ｓ１８として外部に導出される。

【0036】

生成流Ｓ８の残りはコンプレッサー６７が加圧し、生成流Ｓ１０とする。加圧された生成流Ｓ１０は分岐Ｃを経て、一部が高圧の水素窒素生成流Ｓ２５として払い出され、残りの生成流Ｓ２６は本系内に循環する。
ここで、分岐Ｇで決まる生成流Ｓ１０および分岐Ｃで決まる生成流Ｓ２６の流量は膨張タービン７１での動力回収と、低圧蒸留塔６２への還流Ｓ５および後述の高圧蒸留塔６１へフィードさせるのに必要な生成流Ｓ１２の流量により決定する。生成流Ｓ２６は分岐Ｄを介してその一部の生成流Ｓ１９が熱交換器６５に供給されて冷却され、膨張タービン７１による膨張減圧によって高圧蒸留塔６１の動作圧力付近にまで降圧される。

【0037】

降圧された混合気体は気液分離器（図示せず）により気液分離した後、液相分の生成流Ｓ５は低圧蒸留塔６２の塔頂部に導入される。また、気相分の生成流Ｓ１１は自己熱交換器６３での非凝縮蒸気の生成流Ｓ４の一部と混合され、熱交換器６５に循環導入される。
分岐Ｄで分離された生成流Ｓ２６の残りは熱交換器６５を経て加圧混合気体Ｓ１２となり、高圧蒸留塔６１塔頂へ導入される。この加圧混合気体Ｓ１２の流量は、高圧蒸留塔６１塔頂の自己熱交換器６３において温度交差しないような水素濃度となるように分岐Ｄで決定している。すなわち、加圧混合気体Ｓ１２の流量が多すぎると高圧蒸留塔６１の塔頂付近の温度低下を招くためである。

【0038】

自己熱交換器６３で得られる凝縮された生成流Ｓ１３は分岐Ｆを経て、その一部の生成流Ｓ２１は高圧蒸留塔６１の塔頂部へ還流され、残りは液体水素窒素生成流Ｓ３として熱交換器６４で冷熱回収した後、系外へ取り出される。
高圧蒸留塔６１の塔底からは、酸素富化サンプ液が導管を介して第１液体フラクションＳ１として取り出され、熱交換器６４を経由して放熱してから低圧蒸留塔６２の中間領域に導入されている。

【0039】

また高圧蒸留塔６１の原料Ｓ０供給位置より上方から第２液体フラクションＳ２が取り出されており、同様に熱交換器６４を経由して低圧蒸留塔６２内に導入される。この場合、低圧蒸留塔６２への導入位置は第１液体フラクションＳ１の導入位置（供給領域）よりも上方位置、より好適には低圧蒸留塔６２の頭頂部である。
低圧蒸留塔６２の塔底サンプ液の一部は所望の酸素製品純度となるよう自己熱交換器６３に導かれて気化する。また、気化させない塔底サンプ液の一部Ｓ１６はポンプ６６にて熱交換器６５に導かれ、冷熱回収した後、酸素製品Ｓ９として系外へ払い出す。

【0040】

低圧蒸留塔６２の塔頂部からは窒素含有ガスＳ６が引き出され、熱交換器６４において高圧蒸留塔６１からの液体フラクションＳ１，Ｓ２，Ｓ３との向流熱交換によって昇温された後、さらに原料冷却器６９に導かれて昇温され、残ガスとして大気放出される。
なお、以上において、高圧蒸留塔６１および低圧蒸留塔６２の物質交換要素は蒸留トレイあるいは充填物表面の気液接触によって形成される。
図５は、各生成流の圧力などを示す図である。本実施例においては、同図に示す圧力、温度、流量、組成であった。

【0041】

従来より、高圧蒸留塔６１と、低圧蒸留塔６２と、および前記高圧蒸留塔６１のコンデンサーと前記低圧蒸留塔６２のリボイラーを兼ねる自己熱交換器６３とにより構成される蒸留塔設備は知られている。
しかし、一般の空気と比して所定濃度以上とされた水素と、酸素と、窒素とを主成分とする混合気体を原料としてこのような蒸留塔設備に供給する例はない。特に、水素の濃度が空気の濃度と比して十分に高い濃度、例えば４ｍｏｌ％前後の濃度である場合、高圧蒸留塔６１の塔頂部領域の温度はより大きく温度低下する傾向を示すし、さらに上述の諸分岐点での流量比の新しい設定指針は水素が原料気体中に含まれている場合に特有のものであり、この新しい設定指針なしには、望ましい操作温度条件を実現することはできず、自己熱交換にて所定の熱交換量を確保することは到底できない。すなわち、所定濃度以上とされた水素と、酸素と、窒素とを主成分とする混合気体から、水素と窒素からなる混合物を工業的に分離することはできない。

【0042】

なお、本発明は前記実施例に限られるものでないことは言うまでもない。当業者であれば言うまでもないことであるが、
・前記実施例の中で開示した相互に置換可能な部材および構成等を適宜その組み合わせを変更して適用すること
・前記実施例の中で開示されていないが、公知技術であって前記実施例の中で開示した部材および構成等と相互に置換可能な部材および構成等を適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用すること
・前記実施例の中で開示されていないが、公知技術等に基づいて当業者が前記実施例の中で開示した部材および構成等の代用として想定し得る部材および構成等と適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用すること
は本発明の一実施例として開示されるものである。

【符号の説明】

【0043】

６０…水素分離装置、６１…高圧蒸留塔、６２…低圧蒸留塔、６３…自己熱交換器、６４，６５…対向式熱交換器、６６…ポンプ、６７…コンプレッサー、６８…脱水装置、６９…原料冷却器、７１…膨張タービン、７２…気液分離器。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】