▶ 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・クロードの特許一覧
(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】
(24)【登録日】2024-11-06
(45)【発行日】2024-11-14
(54)【発明の名称】窒素発生装置および窒素製造方法
(51)【国際特許分類】
F25J 3/04 20060101AFI20241107BHJP
【ＦＩ】
F25J3/04 103
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2024017348
(22)【出願日】2024-02-07
【審査請求日】2024-02-08
【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】100229851
【弁理士】
【氏名又は名称】岡本 亜季
(74)【代理人】
【識別番号】110000729
【氏名又は名称】弁理士法人ユニアス国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ランシュー マキシム
(72)【発明者】
【氏名】廣瀬 献児
【審査官】目代 博茂
(56)【参考文献】
【文献】特開昭６１－２７６６８０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６３－２２００８０（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０５２２８２９７（ＵＳ，Ａ）
【文献】特開２００６－１３２８５４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ２５Ｊ１／００－５／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
原料空気が原料空気ラインを介して導入される主熱交換器と、前記主熱交換器で熱交換された原料空気が原料空気ラインを介して導入される第一窒素精留塔と、前記第一窒素精留塔から導出される第一窒素ガスを凝縮し、還流液として前記第一窒素精留塔へ戻す第一窒素凝縮器と、前記第一窒素凝縮器で蒸発された冷媒からなる蒸気流がその底部に導入される第二窒素精留塔と、前記第二窒素精留塔の頂部から導出される第二窒素ガスを凝縮し、還流液として前記第二窒素精留塔へ戻す第二窒素凝縮器と、第一窒素ブースターと、第一窒素膨張タービンと、冷却装置を備える窒素発生装置を用いた窒素製造方法であって、前記第一窒素精留塔の頂部から導出される第一窒素ガスの一部が、前記主熱交換器へ導入され導出された第一製品窒素ガスの少なくとも一部が、前記第一窒素ブースターで昇圧され、前記冷却装置で冷却された後で、前記主熱交換器の温端から再導入され、前記主熱交換器の中間から導出されて前記第一窒素膨張タービンで膨張して冷却されるステップを含む、窒素製造方法。
【請求項2】
前記第二窒素凝縮器の気相から導出される第二酸素富化ガスを、サブクーラを通過させ、前記主熱交換器に導入し、中間部から導出した後で、第二酸素富化ガス膨張タービンで膨張し冷却し、膨張し冷却した第二酸素富化ガスを、前記主熱交換器へ再度導入し、温端から廃ガスとして排出するステップを含む、請求項１に記載の窒素製造方法。
【請求項3】
原料空気が原料空気ラインを介して導入される主熱交換器と、前記主熱交換器で熱交換された原料空気が原料空気ラインを介して導入される第一窒素精留塔と、前記第一窒素精留塔から導出される第一窒素ガスを凝縮し、還流液として前記第一窒素精留塔へ戻す第一窒素凝縮器と、前記第一窒素凝縮器で蒸発された冷媒からなる蒸気流がその底部に導入される第二窒素精留塔と、前記第二窒素精留塔の頂部から導出される第二窒素ガスを凝縮し、還流液として前記第二窒素精留塔へ戻す第二窒素凝縮器と、第一窒素ブースターと、第一窒素膨張タービンと、冷却装置を備える窒素発生装置であって、前記第一窒素ブースターは、前記第一窒素精留塔の頂部から導出される第一窒素ガスの一部が、主熱交換器へ導入され、温端から導出された第一製品窒素ガスの少なくとも一部を昇圧し、
前記冷却装置は、前記第一窒素ブースターで昇圧された第一製品窒素ガスを所定の温度へ冷却し、
前記第一窒素膨張タービンは、前記冷却装置で冷却された後で、前記主熱交換器の温端から再導入され、前記主熱交換器の中間から導出された第一製品窒素を膨張して冷却する、窒素発生装置。
【請求項4】
原料空気が原料空気ラインを介して導入される主熱交換器と、前記主熱交換器で熱交換された原料空気が原料空気ラインを介して導入される第一窒素精留塔と、
前記第一窒素精留塔から導出される第一窒素ガスを凝縮し、還流液として前記第一窒素精留塔へ戻す第一窒素凝縮器と、
前記第一窒素精留塔から導出される第一窒素ガスを、少なくとも前記主熱交換器を介して第一製品窒素として取り出す第一製品窒素ガスラインと、
前記第一製品窒素ガスラインの前記主熱交換器の温端よりも下流側から分岐する第一製品窒素分岐ラインと、
前記第一製品窒素分岐ラインに設けられ、前記第一製品窒素を昇圧する第一窒素ブースターと、
前記第一製品窒素分岐ラインに設けられ、前記第一窒素ブースターで昇圧された第一製品窒素を所定温度へ冷却する冷却装置と、
前記冷却装置で冷却された前記第一製品窒素ガスを、前記主熱交換器の温端から導入し、中間部から導出し、膨張し冷却する第一窒素膨張タービンと、
前記第一窒素凝縮器で蒸発された冷媒からなる蒸気流がその底部に導入される第二窒素精留塔と、
前記第二窒素精留塔の頂部から導出される第二窒素ガスを凝縮し、還流液として前記第二窒素精留塔へ戻す第二窒素凝縮器と、
前記第二窒素精留塔から導出される第二窒素ガスを、少なくとも前記主熱交換器の冷端へ導入し、温端から導出して、第二製品窒素として取り出す第二製品窒素ガスラインと、を備える、窒素発生装置。
【請求項5】
前記主熱交換器と連結される、あるいは主熱交換器とは別体のサブクーラと、前記第一窒素精留塔から導出される第一酸素富化液を、前記サブクーラを介して、前記第二窒素精留塔へ導入する第一酸素富化液ラインと、
前記第一窒素凝縮器で凝縮された第一液化窒素を、前記サブクーラを介して、前記第二窒素精留塔へ導入する第一液化窒素ラインと、
前記第一窒素凝縮器の冷媒貯留部から導出される第二酸素富化液を、前記サブクーラを介して、前記第二窒素凝縮器の冷媒貯留部へ導入する第二酸素富化液ラインと、
前記第二窒素凝縮器の気相から導出される第二酸素富化ガスを、前記サブクーラを介して冷却された第二酸素富化ガスを、前記主熱交換器を介して廃ガスとして導出する第一廃ガスラインと、を備える、請求項４に記載の窒素発生装置。
【請求項6】
前記主熱交換器と連結される、あるいは主熱交換器とは別体のサブクーラと、前記第一窒素精留塔から導出される第一酸素富化液を、前記サブクーラを介して、前記第二窒素精留塔へ導入する第一酸素富化液ラインと、
前記第一窒素凝縮器で凝縮された第一液化窒素を、前記サブクーラを介して、前記第二窒素精留塔へ導入する第一液化窒素ラインと、
前記第一窒素凝縮器の冷媒貯留部から導出される第二酸素富化液を、前記サブクーラを介して、前記第二窒素凝縮器の冷媒貯留部へ導入する第二酸素富化液ラインと、
前記第二窒素凝縮器の気相から導出される第二酸素富化ガスを、前記サブクーラを通過させ、前記主熱交換器に導入し、中間部から導出した後で、第二酸素富化ガス膨張タービンで膨張し冷却し、膨張し冷却した第二酸素富化ガスを、前記主熱交換器へ再度導入し、温端から廃ガスとして排出する第二廃ガスラインを備える、請求項４に記載の窒素発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、窒素発生装置および窒素製造方法に関し、例えば、深冷空気分離装置の内、主に高純度の窒素ガスを大量に製造することを目的とした窒素発生装置および窒素製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
大気から窒素を大量に分離精製して供給する適当な方法として、深冷空気分離法が知られている。その中でも窒素を製造するための精留塔を２塔備えた複式精留システムは、精留塔が１塔の単式精留システムと比べて、窒素需要に対して塔径を小さくできることから、精留塔の輸送が容易となって建設コストを低減できるという利点がある。このため、特に大量の窒素需要があり窒素発生装置が大型化する場合は、複式精留システムの内、窒素製造原単位（ＳＰＣ， Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ：比消費電力）が優れたカスケードプロセス、即ち２つの窒素精留塔の各々が窒素凝縮器を頂部に備え、それぞれの窒素精留塔の頂部から製品窒素ガスを供給するプロセスが好適である。
【0003】
深冷空気分離プロセスを構成するためには、冷熱バランスを維持するように寒冷を供給する必要があって、そのためにはプロセスガスを供給する膨張タービンが適用される。適用されるプロセスガスとしては、原料空気の一部（例えば、特許文献１、２参照）、廃ガスとして系外へ排出される酸素富化ガス（例えば、特許文献５参照）、製品窒素ガスの一部（例えば、特許文献３、４参照）が使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】米国特許第５，２３１，８３７号
【文献】米国特許第１１，６７４，７５０号
【文献】特許第４５１５２２５号
【文献】米国特許第５，２２８，２９７号
【文献】特開２０１７－７２２８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
原料空気の一部を寒冷源とする場合、膨張された原料空気は、減圧されない原料空気が導入される精留塔（例えば第一精留塔）よりも低い圧力（例えば第二精留塔）で運転される精留塔に導入せざるを得ない。即ち、原料空気の大部分が導入される精留塔での窒素分離量が減じ、結果的に窒素発生装置の窒素回収率を減少させる。
【0006】
酸素富化ガスを膨張させるプロセスの場合、カスケードプロセスにおいて、第一窒素凝縮器または第二窒素凝縮器から導出される酸素富化ガスが対象となる。第一窒素凝縮器からの酸素富化ガスは、第二窒素精留塔の底部に供給して第二窒素精留塔の蒸気流とすることができるので、寒冷源として使用するよりも、精留に寄与して窒素の回収量を増量させることが望ましい。第二窒素凝縮器から導出される酸素富化ガスは、窒素発生装置の窒素回収率を高めた場合、圧力が顕著に低下し、膨張して十分な寒冷を稼げるほどの圧力差が得られないので、特に高窒素回収率の窒素発生装置では主要な寒冷源とすることが難しい。
【0007】
窒素ガスを膨張させるプロセスの場合、既知の方法では第一製品窒素ガスと第二製品窒素ガスの圧力差を使用して寒冷を発生させる。膨張タービンによって得られる動力は、製品窒素ガス等のプロセスガス圧縮に使用することもできるし、発電機等を適用して動力を電力に変換することも可能である。
【0008】
しかしながら製品窒素ガスは可能な限り減圧する量を最小化して、需要家に供給することが熱効率上望ましい。
【0009】
上記の状況を鑑みて、本開示は、複式精留塔でのカスケードプロセスにおいて、昇圧膨張プロセスを利用して、第一精留塔から導出される製品窒素の回収率を低下させることなく、熱効率にも優れた窒素発生装置および窒素製造方法を提供する。
また、昇圧膨張プロセスに利用する、製品窒素ガス流量を最小化しつつ、窒素回収率と熱効率において優れた窒素発生装置および窒素製造方法を提供する。
また、昇圧膨張プロセスに利用する、製品窒素ガス流量を最小化しつつ、窒素回収率と熱効率において優れた窒素発生装置および窒素製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本開示の窒素発生装置（Ａ１、Ａ２、Ａ３）は、主熱交換器（１）と、第一窒素精留塔（２）と、第一窒素凝縮器（３）と、第二窒素精留塔（４）と、第二窒素凝縮器（５）と、第一窒素ブースター（７１）と、第一窒素膨張タービン（７２）と、冷却装置（８）を備える。
前記第一窒素ブースター（７１）と第一窒素膨張タービン（７２）は、第一窒素ブースタータービン（７）の構成であってもい。第一窒素ブースター（７１）は、第一窒素膨張タービン（７２）によって駆動されてもよい。
前記第一窒素ブースター（７１）は、前記第一窒素精留塔（２）の頂部（２３）から導出される第一窒素ガスの一部が、主熱交換器（１）へ導入され、温端から導出された第一製品窒素ガスの少なくとも一部を昇圧する。
前記冷却装置（８）は、前記第一窒素ブースター（７１）で昇圧された第一製品窒素ガスを所定の温度（例えば、約８０℃から約２０℃）へ冷却する。
前記第一窒素膨張タービン（７２）は、前記冷却装置（８）で冷却された後で、前記主熱交換器（１）の温端から再導入され、前記主熱交換器（１）の中間から導出された第一製品窒素ガスを膨張して冷却する。
前記第一窒素ブースター（７１）と第一窒素膨張タービン（７２）は、第一窒素ブースタータービン（７）の構成であってもい。第一窒素ブースター（７１）は、第一窒素膨張タービン（７２）によって駆動されてもよい。
前記第一窒素ブースター（７１）は、前記第一窒素精留塔（２）の頂部（２３）から導出される第一窒素ガスの一部が、主熱交換器（１）へ導入され、温端から導出された第一製品窒素ガスの少なくとも一部を昇圧する。
前記冷却装置（８）は、前記第一窒素ブースター（７１）で昇圧された第一製品窒素ガスを所定の温度（例えば、約８０℃から約２０℃）へ冷却する。
前記第一窒素膨張タービン（７２）は、前記冷却装置（８）で冷却された後で、前記主熱交換器（１）の温端から再導入され、前記主熱交換器（１）の中間から導出された第一製品窒素ガスを膨張して冷却する。
【0011】
前記窒素発生装置（Ａ１、Ａ２、Ａ３）は、サブクーラ（６）を備えていてもよい。
前記サブクーラ（６）は、前記主熱交換器（１）と一体的な連結構造であってもよく、別体の構造であってもよい。
前記サブクーラ（６）は、前記第一窒素精留塔（２）の底部（２１）から前記第二窒素精留塔（４）の精留部（４２）の中間段へ供給される第一酸素富化液を冷却してもよい。
前記サブクーラ（６）は、前記第一窒素凝縮器（３）から前記第二窒素精留塔（４）の頂部（４３）あるいは気相部へ供給される第一液化窒素（第一窒素精留塔（２）の頂部の気相からの蒸気流を第一窒素凝縮器（３）で凝縮されて第一窒素精留塔（２）へ戻る還流液の一部）を冷却してもよい。
前記サブクーラ（６）は、前記第一窒素凝縮器（３）の冷媒貯留部（３１）から前記第二窒素凝縮器（５）の冷媒貯留部（５１）へ送られる冷媒である第二酸素富化液を冷却してもよい。
前記サブクーラ（６）は、前記第一窒素精留塔（２）の頂部の気相から第一窒素凝縮器（３）へ送られる蒸気流である第一窒素ガス（蒸気流の一部でもよい）を冷却してもよい。冷却された第一窒素ガスは、前記主熱交換器（１）の冷端へ導入され、温端から第一製品窒素ガスとして導出されてもよい。温端から導出された第一製品窒素ガスの一部は、前記第一窒素ブースター（７１）へ送られてもよい。
前記サブクーラ（６）は、前記第二窒素精留塔（４）の頂部の気相から第二窒素凝縮器（５）へ送られる蒸気流である第二窒素ガス（蒸気流の一部でもよい）を冷却してもよい。冷却されてた第二窒素ガスは、前記主熱交換器（１）の冷端へ導入され、温端から、第二製品窒素ガスとして導出されてもよい。
前記サブクーラ（６）は、前記第二窒素凝縮器（５）の気相から導出される第二酸素富化ガスを冷却してもよい。冷却された第二酸素富化ガスは、前記熱交換器（１）の冷端へ導入され、温端から、廃ガスとして導出されてもよい。
前記サブクーラ（６）は、前記主熱交換器（１）と一体的な連結構造であってもよく、別体の構造であってもよい。
前記サブクーラ（６）は、前記第一窒素精留塔（２）の底部（２１）から前記第二窒素精留塔（４）の精留部（４２）の中間段へ供給される第一酸素富化液を冷却してもよい。
前記サブクーラ（６）は、前記第一窒素凝縮器（３）から前記第二窒素精留塔（４）の頂部（４３）あるいは気相部へ供給される第一液化窒素（第一窒素精留塔（２）の頂部の気相からの蒸気流を第一窒素凝縮器（３）で凝縮されて第一窒素精留塔（２）へ戻る還流液の一部）を冷却してもよい。
前記サブクーラ（６）は、前記第一窒素凝縮器（３）の冷媒貯留部（３１）から前記第二窒素凝縮器（５）の冷媒貯留部（５１）へ送られる冷媒である第二酸素富化液を冷却してもよい。
前記サブクーラ（６）は、前記第一窒素精留塔（２）の頂部の気相から第一窒素凝縮器（３）へ送られる蒸気流である第一窒素ガス（蒸気流の一部でもよい）を冷却してもよい。冷却された第一窒素ガスは、前記主熱交換器（１）の冷端へ導入され、温端から第一製品窒素ガスとして導出されてもよい。温端から導出された第一製品窒素ガスの一部は、前記第一窒素ブースター（７１）へ送られてもよい。
前記サブクーラ（６）は、前記第二窒素精留塔（４）の頂部の気相から第二窒素凝縮器（５）へ送られる蒸気流である第二窒素ガス（蒸気流の一部でもよい）を冷却してもよい。冷却されてた第二窒素ガスは、前記主熱交換器（１）の冷端へ導入され、温端から、第二製品窒素ガスとして導出されてもよい。
前記サブクーラ（６）は、前記第二窒素凝縮器（５）の気相から導出される第二酸素富化ガスを冷却してもよい。冷却された第二酸素富化ガスは、前記熱交換器（１）の冷端へ導入され、温端から、廃ガスとして導出されてもよい。
【0012】
前記窒素発生装置（Ａ１、Ａ２）は、第二酸素富化ガス膨張タービン（９）を備えていてもよい。
前記第二酸素富化ガス膨張タービン（９）は、前記第二窒素精留塔（４）の頂部（４３）の気相から導出される第二酸素富化ガスを、前記サブクーラ（６）および／または前記主熱交換器（１）で冷却した後で、膨張し冷却する。膨張し冷却した第二酸素富化ガスは、前記主熱交換器（１）へ再度導入し、温端から廃ガスとして排出されてもよい。
前記第二酸素富化ガス膨張タービン（９）は、前記第二窒素精留塔（４）の頂部（４３）の気相から導出される第二酸素富化ガスを、前記サブクーラ（６）および／または前記主熱交換器（１）で冷却した後で、膨張し冷却する。膨張し冷却した第二酸素富化ガスは、前記主熱交換器（１）へ再度導入し、温端から廃ガスとして排出されてもよい。
【0013】
本開示の上記窒素発生装置（Ａ１、Ａ２、Ａ３）を用いた窒素製造方法は、
第一窒素精留塔（２）の頂部（２３）から導出される第一窒素ガスの一部（蒸気流の一部）が、主熱交換器（１）の冷端から導入され温端から導出され、温端から導出された第一製品窒素ガスの少なくとも一部が、第一窒素ブースター（７１）で昇圧され、冷却装置（８）で冷却された後で、前記主熱交換器（１）の温端から再導入され、前記主熱交換器（１）の中間から導出されて第一窒素膨張タービン（７２）で膨張して冷却されるステップを含む。
この構成では、主熱交換器（１）に再導入されることによって、主熱交換器（１）を冷却して窒素発生装置（Ａ１）の運転に必要な寒冷を供給することができる。
第一窒素精留塔（２）の頂部（２３）から導出される第一窒素ガスの一部（蒸気流の一部）が、主熱交換器（１）の冷端から導入され温端から導出され、温端から導出された第一製品窒素ガスの少なくとも一部が、第一窒素ブースター（７１）で昇圧され、冷却装置（８）で冷却された後で、前記主熱交換器（１）の温端から再導入され、前記主熱交換器（１）の中間から導出されて第一窒素膨張タービン（７２）で膨張して冷却されるステップを含む。
この構成では、主熱交換器（１）に再導入されることによって、主熱交換器（１）を冷却して窒素発生装置（Ａ１）の運転に必要な寒冷を供給することができる。
【0014】
前記窒素製造方法は、
前記第一窒素膨張タービン（７２）で膨張され減圧され、主熱交換器（１）に再導入された第一製品窒素ガスを、第二窒素精留塔（４）の頂部（４３）から導出され主熱交換器（１）の内の第二窒素ガスと合流し、前記主熱交換器（１）で別物質（例えば、原料空気など）を冷却するステップを含んでいてもよく、また、
前記第一窒素膨張タービン（７２）で膨張され減圧され、前記主熱交換器（１）に再導入された第一製品窒素ガスで、主熱交換器（１）で別物質（例えば、原料空気など）を冷却し、および前記第二窒素精留塔（４）の頂部から導出され主熱交換器（１）へ導入された第二製品窒素ガスで、主熱交換器（１）で別物質（例えば、原料空気など）を冷却するステップを含んでいてもよい。
前記第一窒素膨張タービン（７２）で膨張され減圧され、主熱交換器（１）に再導入された第一製品窒素ガスを、第二窒素精留塔（４）の頂部（４３）から導出され主熱交換器（１）の内の第二窒素ガスと合流し、前記主熱交換器（１）で別物質（例えば、原料空気など）を冷却するステップを含んでいてもよく、また、
前記第一窒素膨張タービン（７２）で膨張され減圧され、前記主熱交換器（１）に再導入された第一製品窒素ガスで、主熱交換器（１）で別物質（例えば、原料空気など）を冷却し、および前記第二窒素精留塔（４）の頂部から導出され主熱交換器（１）へ導入された第二製品窒素ガスで、主熱交換器（１）で別物質（例えば、原料空気など）を冷却するステップを含んでいてもよい。
【0015】
前記窒素製造方法は、
前記第二窒素凝縮器（５）の気相から導出される第二酸素富化ガスを、前記サブクーラ（６）を通過させ、前記主熱交換器（１）に導入し、中間部から導出した後で、第二酸素富化ガス膨張タービン（９）で膨張し冷却し、膨張し冷却した第二酸素富化ガスを、前記主熱交換器（１）へ再度導入し、温端から廃ガスとして排出するステップを含んでいてもよい。
前記第二窒素凝縮器（５）の気相から導出される第二酸素富化ガスを、前記サブクーラ（６）を通過させ、前記主熱交換器（１）に導入し、中間部から導出した後で、第二酸素富化ガス膨張タービン（９）で膨張し冷却し、膨張し冷却した第二酸素富化ガスを、前記主熱交換器（１）へ再度導入し、温端から廃ガスとして排出するステップを含んでいてもよい。
【0016】
本開示の窒素発生装置（Ａ１、Ａ２、Ａ３）は、
原料空気が原料空気ライン（Ｌ１）を介して導入される主熱交換器（１）と、
前記主熱交換器（１）で熱交換された原料空気が原料空気ライン（Ｌ１）を介して導入される精留部（２２）あるいは底部（２１）を有する第一窒素精留塔（２）と、
前記第一窒素精留塔（２）の頂部（２３）から導出される第一窒素ガス（蒸気流）を、第一凝縮還流ライン（Ｌ２３１）を介して凝縮し、還流液として前記第一窒素精留塔（２）へ戻す第一窒素凝縮器（３）と、
前記第一窒素精留塔（２）の頂部（２３）から導出される第一窒素ガス（蒸気流）を、（サブクーラ６を通過した後で）少なくとも前記主熱交換器（１）の冷端へ導入し、温端から導出して、第一製品窒素ガスとして取り出す第一製品窒素ガスライン（Ｌ２３）と、
前記第一製品窒素ガスライン（Ｌ２３）の前記主熱交換器（１）の温端よりも下流側から分岐する第一製品窒素分岐ライン（Ｌ２３ａ）と、
前記第一製品窒素分岐ライン（Ｌ２３ａ）に設けられ、前記第一製品窒素ガスを昇圧する第一窒素ブースター（７１）と、
前記第一製品窒素分岐ライン（Ｌ２３ａ）に設けられ、前記第一窒素ブースター（７１）で昇圧された第一製品窒素ガスを所定温度へ冷却する冷却装置（８）と、
前記冷却装置（８）で冷却された前記第一製品窒素ガスを、前記主熱交換器（１）の温端から導入し、中間部から導出し、膨張し冷却する第一窒素膨張タービン（７２）と、
前記第一窒素凝縮器（３）からの蒸気流が導入される、第二窒素精留塔（４）と、
前記第二窒素精留塔（４）の頂部（４３）から導出される第二窒素ガス（蒸気流）を、第二凝縮還流ライン（Ｌ２３１）を介して凝縮し、還流液として前記第二窒素精留塔（４）へ戻す第二窒素凝縮器（５）と、
前記第二窒素精留塔（４）の頂部（４３）から導出される第二窒素ガス（蒸気流）を、（サブクーラ６を通過した後で）少なくとも前記主熱交換器（１）の冷端へ導入し、温端から導出して、第二製品窒素ガスとして取り出す第二製品窒素ガスライン（Ｌ４３）と、
を備えていてもよい。
原料空気が原料空気ライン（Ｌ１）を介して導入される主熱交換器（１）と、
前記主熱交換器（１）で熱交換された原料空気が原料空気ライン（Ｌ１）を介して導入される精留部（２２）あるいは底部（２１）を有する第一窒素精留塔（２）と、
前記第一窒素精留塔（２）の頂部（２３）から導出される第一窒素ガス（蒸気流）を、第一凝縮還流ライン（Ｌ２３１）を介して凝縮し、還流液として前記第一窒素精留塔（２）へ戻す第一窒素凝縮器（３）と、
前記第一窒素精留塔（２）の頂部（２３）から導出される第一窒素ガス（蒸気流）を、（サブクーラ６を通過した後で）少なくとも前記主熱交換器（１）の冷端へ導入し、温端から導出して、第一製品窒素ガスとして取り出す第一製品窒素ガスライン（Ｌ２３）と、
前記第一製品窒素ガスライン（Ｌ２３）の前記主熱交換器（１）の温端よりも下流側から分岐する第一製品窒素分岐ライン（Ｌ２３ａ）と、
前記第一製品窒素分岐ライン（Ｌ２３ａ）に設けられ、前記第一製品窒素ガスを昇圧する第一窒素ブースター（７１）と、
前記第一製品窒素分岐ライン（Ｌ２３ａ）に設けられ、前記第一窒素ブースター（７１）で昇圧された第一製品窒素ガスを所定温度へ冷却する冷却装置（８）と、
前記冷却装置（８）で冷却された前記第一製品窒素ガスを、前記主熱交換器（１）の温端から導入し、中間部から導出し、膨張し冷却する第一窒素膨張タービン（７２）と、
前記第一窒素凝縮器（３）からの蒸気流が導入される、第二窒素精留塔（４）と、
前記第二窒素精留塔（４）の頂部（４３）から導出される第二窒素ガス（蒸気流）を、第二凝縮還流ライン（Ｌ２３１）を介して凝縮し、還流液として前記第二窒素精留塔（４）へ戻す第二窒素凝縮器（５）と、
前記第二窒素精留塔（４）の頂部（４３）から導出される第二窒素ガス（蒸気流）を、（サブクーラ６を通過した後で）少なくとも前記主熱交換器（１）の冷端へ導入し、温端から導出して、第二製品窒素ガスとして取り出す第二製品窒素ガスライン（Ｌ４３）と、
を備えていてもよい。
【0017】
前記窒素発生装置（Ａ１、Ａ２、Ａ３）において、
前記第一製品窒素ガスは、前記第一窒素膨張タービン（７２）で仕事させた後で、前記主熱交換器（１）に再度導入し、第二製品窒素ライン（Ｌ４３）へ合流させて、第二製品窒素ガスとして取り出されてもよい。第一製品窒素分岐ライン（Ｌ２３ａ）は、第二製品窒素ライン（Ｌ４３）と、主熱交換器（１）の中で合流してもよい。
前記第一製品窒素ガスは、前記第一窒素膨張タービン（７２）で仕事させた後で、前記主熱交換器（１）に再度導入し、第二製品窒素ライン（Ｌ４３）へ合流させて、第二製品窒素ガスとして取り出されてもよい。第一製品窒素分岐ライン（Ｌ２３ａ）は、第二製品窒素ライン（Ｌ４３）と、主熱交換器（１）の中で合流してもよい。
【0018】
前記窒素発生装置（Ａ１、Ａ２、Ａ３）は、
前記主熱交換器（１）と連結される、あるいは主熱交換器（１）とは別体のサブクーラ（６）と、
前記第一窒素精留塔（２）の底部（２１）から導出される第一酸素富化液を、前記サブクーラ（６）へ導入して導出し、前記第二窒素精留塔（４）の精留部（４２）の中間段へ導入する第一酸素富化液ライン（Ｌ２１）と、
前記第一窒素凝縮器（３）で凝縮された第一液化窒素を、前記サブクーラ（６）へ導入して導出し、前記第二窒素精留塔（４）の頂部（４３）へ導入する第一液化窒素ライン（Ｌ２３１ａ）と、
前記第一窒素凝縮器（３）の冷媒貯留部（３１）から導出される第二酸素富化液を、前記サブクーラ（６）へ導入して導出し、前記第二窒素凝縮器（５）の冷媒貯留部（５１）へ導入する第二酸素富化液ライン（Ｌ３１）と、を備えていてもよい。
前記主熱交換器（１）と連結される、あるいは主熱交換器（１）とは別体のサブクーラ（６）と、
前記第一窒素精留塔（２）の底部（２１）から導出される第一酸素富化液を、前記サブクーラ（６）へ導入して導出し、前記第二窒素精留塔（４）の精留部（４２）の中間段へ導入する第一酸素富化液ライン（Ｌ２１）と、
前記第一窒素凝縮器（３）で凝縮された第一液化窒素を、前記サブクーラ（６）へ導入して導出し、前記第二窒素精留塔（４）の頂部（４３）へ導入する第一液化窒素ライン（Ｌ２３１ａ）と、
前記第一窒素凝縮器（３）の冷媒貯留部（３１）から導出される第二酸素富化液を、前記サブクーラ（６）へ導入して導出し、前記第二窒素凝縮器（５）の冷媒貯留部（５１）へ導入する第二酸素富化液ライン（Ｌ３１）と、を備えていてもよい。
【0019】
前記窒素発生装置（Ａ１）は、
前記第二窒素凝縮器（５）の気相から導出される第二酸素富化ガスを、前記サブクーラ（６）へ導入して導出し、冷却された第二酸素富化ガスを、前記主熱交換器（１）の冷端へ導入され、温端から、廃ガスとして導出する第一廃ガスライン（Ｌ５３）を備えていてもよい。
前記第二窒素凝縮器（５）の気相から導出される第二酸素富化ガスを、前記サブクーラ（６）へ導入して導出し、冷却された第二酸素富化ガスを、前記主熱交換器（１）の冷端へ導入され、温端から、廃ガスとして導出する第一廃ガスライン（Ｌ５３）を備えていてもよい。
【0020】
前記窒素発生装置（Ａ２）は、
前記廃ガスライン（Ｌ５３）が、前記主熱交換器（１）の中間部から導出され、再度、主熱交換器（１）へ導入されて、温端から出るように延設されており、
前記中間部から導出された位置に、第二酸素富化ガス膨張タービン（９）を備え、
前記第二酸素富化ガス膨張タービン（９）で、第二酸素富化ガスを膨張し冷却させて、前記主熱交換器（１）へ再度送る構成であってもよい。
前記窒素発生装置（Ａ２）は、
前記第二窒素凝縮器（５）の気相から導出される第二酸素富化ガスを、前記サブクーラ（６）を通過させ、前記主熱交換器（１）に導入し、中間部から導出した後で、第二酸素富化ガス膨張タービン（９）で膨張し冷却し、膨張し冷却した第二酸素富化ガスを、前記主熱交換器（１）へ再度導入し、温端から廃ガスとして排出する第二廃ガスライン（Ｌ５３１）を備えていてもよい。
前記廃ガスライン（Ｌ５３）が、前記主熱交換器（１）の中間部から導出され、再度、主熱交換器（１）へ導入されて、温端から出るように延設されており、
前記中間部から導出された位置に、第二酸素富化ガス膨張タービン（９）を備え、
前記第二酸素富化ガス膨張タービン（９）で、第二酸素富化ガスを膨張し冷却させて、前記主熱交換器（１）へ再度送る構成であってもよい。
前記窒素発生装置（Ａ２）は、
前記第二窒素凝縮器（５）の気相から導出される第二酸素富化ガスを、前記サブクーラ（６）を通過させ、前記主熱交換器（１）に導入し、中間部から導出した後で、第二酸素富化ガス膨張タービン（９）で膨張し冷却し、膨張し冷却した第二酸素富化ガスを、前記主熱交換器（１）へ再度導入し、温端から廃ガスとして排出する第二廃ガスライン（Ｌ５３１）を備えていてもよい。
【0021】
前記窒素発生装置（Ａ３）は、
前記第一製品窒素分岐ライン（Ｌ２３ａ）に設けられる窒素圧縮機（７１１）と、
前記第一製品窒素分岐ライン（Ｌ２３ａ）に設けられ、前記窒素圧縮機（７１１）で圧縮された第一製品窒素ガスを冷却する第三冷却装置（８１）と、
前記第一製品窒素分岐ライン（Ｌ２３ａ）に設けられ、前記第三冷却装置（８１）で冷却された前記第一製品窒素ガスを昇圧する第二窒素ブースター（７１ａ）と、
前記第一製品窒素分岐ライン（Ｌ２３ａ）に設けられ、前記第二窒素ブースター（７１ａ）で昇圧された第一製品窒素ガスを所定温度へ冷却する第二冷却装置（８ａ）と、
前記第一製品窒素分岐ライン（Ｌ２３ａ）に設けられ、前記第二冷却装置（８ａ）で冷却された前記第一製品窒素ガスを昇圧する第一窒素ブースター（７１）と、
前記第一製品窒素分岐ライン（Ｌ２３ａ）に設けられ、前記第一窒素ブースター（７１）で昇圧された第一製品窒素ガスを所定温度へ冷却する第一冷却装置（８）と、
前記主熱交換器（１）の冷端より下流の前記第一製品窒素分岐ライン（Ｌ２３ａ）に設けられる減圧弁（１０９）と、
前記減圧弁（１０９）より下流に設けられ、ガス分と液分に分離する気液分離器（１１０）と、
を備えていてもよい。
前記窒素発生装置（Ａ３）は、
前記第二窒素ブースター（７１ａ）より上流の第一製品窒素分岐ライン（Ｌ２３ａ）から分岐して前記第一製品窒素ガスの一部を導出し、前記主熱交換器（１）の温端から導入し、第一中間部（１ａ）から導出される前記第一製品窒素ガスを、膨張し冷却する第二窒素膨張タービン（７２ａ）と、
前記第一冷却装置（８）で冷却され、前記主熱交換器（１）の温端から導入し、前記第一中間部（１ａ）よりも冷端側の第二中間部（１ｂ）から導出される第一製品窒素ガスの一部を、膨張し冷却する第一窒素膨張タービン（７２）と、
を備えていてもよい。
前記窒素発生装置（Ａ３）の前記第一製品窒素分岐ライン（Ｌ２３ａ）は、
窒素圧縮機（７１１）、第三冷却装置（８１）、第二窒素ブースター（７１ａ）、第二冷却装置（８ａ）、第一窒素ブースター（７１）、第一冷却装置（８）を介して、その後に、主熱交換器（１）の温端から導入し、冷端から導出し、その後に、減圧弁（１０９）を介して、気液分離器（１１０）へ導入するためのラインであってもよい。
前記窒素発生装置（Ａ３）は、
前記第二窒素ブースター（７１ａ）より上流の前記第一製品窒素分岐ライン（Ｌ２３ａ）から分岐して前記第一製品窒素ガスの一部を導出し、前記主熱交換器（１）の温端から導入し、第一中間部（１ａ）から導出し、前記第二窒素膨張タービン（７２ａ）で仕事をさせた後で、再び前記主熱交換器（１）の中間部へ導入し、前記主熱交換器（１）の中で、前記第二製品窒素ライン（Ｌ４３）と合流するための第一製品窒素第二分岐ライン（Ｌ２３ｂ）と、
前記主熱交換器（１）の内部の前記第一製品窒素分岐ライン（Ｌ２３ａ）から分岐して前記第一製品窒素ガスの一部を前記主熱交換器（１）の前記第一中間部（１ａ）よりも冷端側の第二中間部（１ｂ）から導出し、前記第一窒素膨張タービン（７２）で前記第一製品窒素ガスを膨張し冷却し、前記主熱交換器（１）へ再度送る（あるいは前記主熱交換器（１）の冷端より上流の前記第二製品窒素ライン（Ｌ４３）へ合流する）ための第一製品窒素第三分岐ライン（Ｌ２３ｃ）と、
を備えていてもよい。
前記第二窒素ブースター（７１ａ）と前記第二窒素膨張タービン（７２ａ）とで、第二窒素ブースタータービン（７ａ）成し、前記第一窒素ブースター（７１）と前記第一窒素膨張タービン（７２）とで、第一窒素ブースタータービン（７）を構成してもよい。
前記第一製品窒素分岐ライン（Ｌ２３ａ）に設けられる窒素圧縮機（７１１）と、
前記第一製品窒素分岐ライン（Ｌ２３ａ）に設けられ、前記窒素圧縮機（７１１）で圧縮された第一製品窒素ガスを冷却する第三冷却装置（８１）と、
前記第一製品窒素分岐ライン（Ｌ２３ａ）に設けられ、前記第三冷却装置（８１）で冷却された前記第一製品窒素ガスを昇圧する第二窒素ブースター（７１ａ）と、
前記第一製品窒素分岐ライン（Ｌ２３ａ）に設けられ、前記第二窒素ブースター（７１ａ）で昇圧された第一製品窒素ガスを所定温度へ冷却する第二冷却装置（８ａ）と、
前記第一製品窒素分岐ライン（Ｌ２３ａ）に設けられ、前記第二冷却装置（８ａ）で冷却された前記第一製品窒素ガスを昇圧する第一窒素ブースター（７１）と、
前記第一製品窒素分岐ライン（Ｌ２３ａ）に設けられ、前記第一窒素ブースター（７１）で昇圧された第一製品窒素ガスを所定温度へ冷却する第一冷却装置（８）と、
前記主熱交換器（１）の冷端より下流の前記第一製品窒素分岐ライン（Ｌ２３ａ）に設けられる減圧弁（１０９）と、
前記減圧弁（１０９）より下流に設けられ、ガス分と液分に分離する気液分離器（１１０）と、
を備えていてもよい。
前記窒素発生装置（Ａ３）は、
前記第二窒素ブースター（７１ａ）より上流の第一製品窒素分岐ライン（Ｌ２３ａ）から分岐して前記第一製品窒素ガスの一部を導出し、前記主熱交換器（１）の温端から導入し、第一中間部（１ａ）から導出される前記第一製品窒素ガスを、膨張し冷却する第二窒素膨張タービン（７２ａ）と、
前記第一冷却装置（８）で冷却され、前記主熱交換器（１）の温端から導入し、前記第一中間部（１ａ）よりも冷端側の第二中間部（１ｂ）から導出される第一製品窒素ガスの一部を、膨張し冷却する第一窒素膨張タービン（７２）と、
を備えていてもよい。
前記窒素発生装置（Ａ３）の前記第一製品窒素分岐ライン（Ｌ２３ａ）は、
窒素圧縮機（７１１）、第三冷却装置（８１）、第二窒素ブースター（７１ａ）、第二冷却装置（８ａ）、第一窒素ブースター（７１）、第一冷却装置（８）を介して、その後に、主熱交換器（１）の温端から導入し、冷端から導出し、その後に、減圧弁（１０９）を介して、気液分離器（１１０）へ導入するためのラインであってもよい。
前記窒素発生装置（Ａ３）は、
前記第二窒素ブースター（７１ａ）より上流の前記第一製品窒素分岐ライン（Ｌ２３ａ）から分岐して前記第一製品窒素ガスの一部を導出し、前記主熱交換器（１）の温端から導入し、第一中間部（１ａ）から導出し、前記第二窒素膨張タービン（７２ａ）で仕事をさせた後で、再び前記主熱交換器（１）の中間部へ導入し、前記主熱交換器（１）の中で、前記第二製品窒素ライン（Ｌ４３）と合流するための第一製品窒素第二分岐ライン（Ｌ２３ｂ）と、
前記主熱交換器（１）の内部の前記第一製品窒素分岐ライン（Ｌ２３ａ）から分岐して前記第一製品窒素ガスの一部を前記主熱交換器（１）の前記第一中間部（１ａ）よりも冷端側の第二中間部（１ｂ）から導出し、前記第一窒素膨張タービン（７２）で前記第一製品窒素ガスを膨張し冷却し、前記主熱交換器（１）へ再度送る（あるいは前記主熱交換器（１）の冷端より上流の前記第二製品窒素ライン（Ｌ４３）へ合流する）ための第一製品窒素第三分岐ライン（Ｌ２３ｃ）と、
を備えていてもよい。
前記第二窒素ブースター（７１ａ）と前記第二窒素膨張タービン（７２ａ）とで、第二窒素ブースタータービン（７ａ）成し、前記第一窒素ブースター（７１）と前記第一窒素膨張タービン（７２）とで、第一窒素ブースタータービン（７）を構成してもよい。
【0022】
前記第一製品窒素ガスの圧力は、第二製品窒素ガスの圧力よりも小さくてもよい。
前記窒素発生装置（Ａ１、Ａ２、Ａ３）は、
流量測量器、圧力測定器、温度測定器、液レベル測定器などの各種計測器と、
制御弁、仕切弁などの各種弁と、
各要素間を連結する配管と、
を有していてもよい。
前記窒素発生装置（Ａ１、Ａ２、Ａ３）は、
流量測量器、圧力測定器、温度測定器、液レベル測定器などの各種計測器と、
制御弁、仕切弁などの各種弁と、
各要素間を連結する配管と、
を有していてもよい。
【0023】
（作用効果）
（１）第一窒素ブースタータービンの構成による寒冷発生を行える。第一製品窒素ガスの一部は、第一膨張タービンによって駆動される第一窒素ブースターよって第一製品窒素ガスの圧力より高い圧力に昇圧されてから、膨張される。この昇圧プロセスは、第一膨張タービンにおける圧力差を大きくすることで、流量あたりの発生寒冷量を高めることができ、結果的に寒冷発生に要する窒素モル流量を低減することができる。さらに、大きな圧力差が得られることで、目的の温度まで窒素ガスを冷却する場合、より高い温度で窒素ガスを第一膨張タービンに導入することができるため、寒冷の発生に有利に働くことになる。
（２）サブクーラの作用により、プロセス液をより低い温度のプロセスガスでサブクールし、減圧時のガス化量を抑制し、精留プロセスに寄与する液量を増量することで、窒素回収率の向上に貢献する。
（３）第二酸素富化ガス膨張タービンの作用により、第二酸素富化ガスを補助的な寒冷源として利用することができ、これにより、第一窒素ブースタータービンへ送る第一製品窒素ガスの量を下げることができる。
（４）
（１）第一窒素ブースタータービンの構成による寒冷発生を行える。第一製品窒素ガスの一部は、第一膨張タービンによって駆動される第一窒素ブースターよって第一製品窒素ガスの圧力より高い圧力に昇圧されてから、膨張される。この昇圧プロセスは、第一膨張タービンにおける圧力差を大きくすることで、流量あたりの発生寒冷量を高めることができ、結果的に寒冷発生に要する窒素モル流量を低減することができる。さらに、大きな圧力差が得られることで、目的の温度まで窒素ガスを冷却する場合、より高い温度で窒素ガスを第一膨張タービンに導入することができるため、寒冷の発生に有利に働くことになる。
（２）サブクーラの作用により、プロセス液をより低い温度のプロセスガスでサブクールし、減圧時のガス化量を抑制し、精留プロセスに寄与する液量を増量することで、窒素回収率の向上に貢献する。
（３）第二酸素富化ガス膨張タービンの作用により、第二酸素富化ガスを補助的な寒冷源として利用することができ、これにより、第一窒素ブースタータービンへ送る第一製品窒素ガスの量を下げることができる。
（４）
【図面の簡単な説明】
【0024】
【発明を実施するための形態】
【0025】
以下に本開示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、本開示の一例を説明するものである。本開示は以下の実施形態になんら限定されるものではなく、本開示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開示の必須の構成であるとは限らない。上流や下流は流体の流れ方向を基準にしている。
【0026】
（実施形態１）
実施形態１の窒素発生装置Ａ１を図１を用いて説明する。
窒素製発生置Ａ１は、主熱交換器１と、第一窒素精留塔２と、第一窒素凝縮器３と、第二窒素精留塔４と、第二窒素凝縮器５と、サブクーラ６と、第一窒素ブースタータービン７と、冷却装置８を備える。
本実施形態では、サブクーラ６と主熱交換器１とは一体的な連結構造である。分離ラインを一点鎖線Ｓで示す。また、第一窒素ブースタータービン７は、第一窒素ブースター７１と、第一窒素膨張タービン７２を備え、第一窒素ブースター７１は、第一窒素膨張タービン７２によって駆動される。
実施形態１の窒素発生装置Ａ１を図１を用いて説明する。
窒素製発生置Ａ１は、主熱交換器１と、第一窒素精留塔２と、第一窒素凝縮器３と、第二窒素精留塔４と、第二窒素凝縮器５と、サブクーラ６と、第一窒素ブースタータービン７と、冷却装置８を備える。
本実施形態では、サブクーラ６と主熱交換器１とは一体的な連結構造である。分離ラインを一点鎖線Ｓで示す。また、第一窒素ブースタータービン７は、第一窒素ブースター７１と、第一窒素膨張タービン７２を備え、第一窒素ブースター７１は、第一窒素膨張タービン７２によって駆動される。
【0027】
主熱交換器１は、温端から導入された原料空気を冷却し、冷端から導出する。冷却された原料空気は、原料空気ラインＬ１を介して窒素精留塔２へ導入される。
第一窒素精留塔２は、底部２１と、精留部２２と、頂部２３を備える。原料空気ラインＬ１は、底部２１に接続される。
底部２１に貯留された酸素富化液は、第一酸素富化液ラインＬ２１を介して、サブクーラ６へ送られ、次いで、第二窒素精留塔４の精留部４２の中間部へ送られる。
第一窒素精留塔２は、底部２１と、精留部２２と、頂部２３を備える。原料空気ラインＬ１は、底部２１に接続される。
底部２１に貯留された酸素富化液は、第一酸素富化液ラインＬ２１を介して、サブクーラ６へ送られ、次いで、第二窒素精留塔４の精留部４２の中間部へ送られる。
【0028】
第一窒素凝縮器３は、頂部２３の上方に設けられる。第一窒素凝縮器３は、第一窒素精留塔２の頂部２３から導出される第一窒素ガス（蒸気流）が第一凝縮還流ラインＬ２３１を介して導入され、酸素富化液との熱交換によって冷却（凝縮）し液化窒素にする。液化窒素は還流液として第一窒素精留塔２の頂部２３へ戻る。
第一液化窒素ラインＬ２３１ａは、第一凝縮還流ラインＬ２３１から分岐する。第一液化窒素ラインＬ２３１ａは、第一窒素凝縮器３で凝縮された第一液化窒素を、サブクーラ６へ導入して導出し、第二窒素精留塔４の頂部４３へ導入するラインである。
第二酸素富化液ラインＬ３１は、第一窒素凝縮器３の冷媒貯留部３１から導出される第二酸素富化液を、サブクーラ６へ導入して導出し、第二窒素凝縮器５の冷媒貯留部５１へ導入するラインである。
第一液化窒素ラインＬ２３１ａは、第一凝縮還流ラインＬ２３１から分岐する。第一液化窒素ラインＬ２３１ａは、第一窒素凝縮器３で凝縮された第一液化窒素を、サブクーラ６へ導入して導出し、第二窒素精留塔４の頂部４３へ導入するラインである。
第二酸素富化液ラインＬ３１は、第一窒素凝縮器３の冷媒貯留部３１から導出される第二酸素富化液を、サブクーラ６へ導入して導出し、第二窒素凝縮器５の冷媒貯留部５１へ導入するラインである。
【0029】
第一製品窒素ガスラインＬ２３は、第一窒素精留塔２の頂部２３から導出される第一窒素ガス（蒸気流）を、サブクーラ６を通過した後で、主熱交換器１の冷端へ導入し、温端から導出して、第一製品窒素として取り出すラインである。
第一窒素精留塔２の頂部２３から導出される第一製品窒素ガス（蒸気流）は、第一製品窒素ガスラインＬ２３を介して、サブクーラ６へ送られ、その中間部から導出されて主熱交換器１の冷端から導入され、温端から導出されて高圧窒素ガスとして導出される。
第一窒素ブースター７１は、第一製品窒素ガスラインＬ２３の主熱交換器１の温端より下流側から分岐した第一製品窒素ガスは、第一製品窒素分岐ラインＬ２３ａを介して導入されて、第一製品窒素ガスを昇圧する。
第一窒素精留塔２の頂部２３から導出される第一製品窒素ガス（蒸気流）は、第一製品窒素ガスラインＬ２３を介して、サブクーラ６へ送られ、その中間部から導出されて主熱交換器１の冷端から導入され、温端から導出されて高圧窒素ガスとして導出される。
第一窒素ブースター７１は、第一製品窒素ガスラインＬ２３の主熱交換器１の温端より下流側から分岐した第一製品窒素ガスは、第一製品窒素分岐ラインＬ２３ａを介して導入されて、第一製品窒素ガスを昇圧する。
【0030】
冷却装置８は、第一窒素ブースター７１で昇圧された第一製品窒素を、第一製品窒素分岐ラインＬ２３ａを介して導入されて、所定温度へ冷却する。冷却された第一製品窒素は、主熱交換器１の温端へ再導入され、中間部から導出される。
【0031】
第一窒素膨張タービン７２は、第一製品窒素分岐ラインＬ２３ａを介して主熱交換器１の中間部から導出した第一製品窒素を膨張し冷却する。膨張された第一製品窒素は、再び、第一製品窒素分岐ラインＬ２３ａを介して主熱交換器１の中間部へ導入され、温端から導出される。図１では、主熱交換器１の内部で第二製品窒素ガスラインＬ４３へ合流する。
【0032】
第二窒素精留塔４は、第一窒素凝縮部３の気相からの蒸気流が導入され、精留する。第二窒素精留塔４は、精留部４２、頂部４３を備える。
第二製品窒素ガスラインＬ４３は、第二窒素精留塔４の頂部４３から導出される第二窒素ガス（蒸気流）を、サブクーラ６を通過した後で、主熱交換器１の冷端へ導入し、温端から導出して、第二製品窒素として取り出すラインである。第一製品窒素ガスの圧力は、第二製品窒素ガスの圧力よりも高圧である。
第二製品窒素ガスラインＬ４３は、第二窒素精留塔４の頂部４３から導出される第二窒素ガス（蒸気流）を、サブクーラ６を通過した後で、主熱交換器１の冷端へ導入し、温端から導出して、第二製品窒素として取り出すラインである。第一製品窒素ガスの圧力は、第二製品窒素ガスの圧力よりも高圧である。
【0033】
第二窒素凝縮器５は、頂部４３の上方に設けられる。第二窒素凝縮器５は、第二窒素精留塔４の頂部４３から導出される第二窒素ガス（蒸気流）が、第二凝縮還流ラインＬ４３１を介して導入され、酸素富化液との熱交換によって冷却（凝縮）し液化窒素にする。液化窒素は還流液として第二窒素精留塔４の頂部４３へ戻る。
第一廃ガスラインＬ５３は、第二窒素凝縮器５の気相５３から導出される第二酸素富化ガスを、サブクーラ６へ導入して導出し、冷却された第二酸素富化ガスを、主熱交換器１の冷端へ導入され、温端から廃ガスとして導出するラインである。
第一廃ガスラインＬ５３は、第二窒素凝縮器５の気相５３から導出される第二酸素富化ガスを、サブクーラ６へ導入して導出し、冷却された第二酸素富化ガスを、主熱交換器１の冷端へ導入され、温端から廃ガスとして導出するラインである。
【0034】
（実施形態２）
実施形態２の窒素発生装置Ａ２を図２を用いて説明する。実施形態１と同じ符号は、同じ機能を有するので、説明を省略する場合がある。
窒素発生装置Ａ２は、主熱交換器１と、第一窒素精留塔２と、第一窒素凝縮器３と、第二窒素精留塔４と、第二窒素凝縮器５と、サブクーラ６と、第一窒素ブースタータービン７（７１，７２）と、冷却装置８、第二酸素富化ガス膨張タービン９を備える。
実施形態２の窒素発生装置Ａ２を図２を用いて説明する。実施形態１と同じ符号は、同じ機能を有するので、説明を省略する場合がある。
窒素発生装置Ａ２は、主熱交換器１と、第一窒素精留塔２と、第一窒素凝縮器３と、第二窒素精留塔４と、第二窒素凝縮器５と、サブクーラ６と、第一窒素ブースタータービン７（７１，７２）と、冷却装置８、第二酸素富化ガス膨張タービン９を備える。
【0035】
第二廃ガスラインＬ５３１は、第二窒素凝縮器５の気相５３から導出される第二酸素富化ガスを、サブクーラ６へ導入して導出し、冷却された第二酸素富化ガスを主熱交換器１の冷端へ導入し、中間部から導出し、第二酸素富化ガス膨張タービン９へ送り、第二酸素富化ガス膨張タービン９で膨張し冷却し、膨張し冷却した第二酸素富化ガスを、再度、主熱交換器１へ導入し、温端から廃ガスとして導出するラインである。
【0036】
（実施形態３）
実施形態３の窒素発生装置Ａ３を図３を用いて説明する。実施形態１、２と同じ符号は、同じ機能を有するので、説明を省略する場合がある。
窒素発生装置Ａ３は、窒素圧縮機７１１、第三冷却装置８１、第一製品窒素第二分岐ラインＬ２３ｂ、第一製品窒素第三分岐ラインＬ２３ｃ、第一窒素ブースター７１、第二窒素ブースター７１ａ、第一冷却装置８ａ、第二冷却装置８ｂ、第一窒素膨張タービン７２と、第二窒素膨張タービン７２ａ、減圧弁１０９、気液分離器１１０を備えている。サブクーラ６は、主熱交換器１とは物理的に別体で構成されている。
実施形態３の窒素発生装置Ａ３を図３を用いて説明する。実施形態１、２と同じ符号は、同じ機能を有するので、説明を省略する場合がある。
窒素発生装置Ａ３は、窒素圧縮機７１１、第三冷却装置８１、第一製品窒素第二分岐ラインＬ２３ｂ、第一製品窒素第三分岐ラインＬ２３ｃ、第一窒素ブースター７１、第二窒素ブースター７１ａ、第一冷却装置８ａ、第二冷却装置８ｂ、第一窒素膨張タービン７２と、第二窒素膨張タービン７２ａ、減圧弁１０９、気液分離器１１０を備えている。サブクーラ６は、主熱交換器１とは物理的に別体で構成されている。
【0037】
第一製品窒素分岐ラインＬ２３ａは、窒素圧縮機７１１、第三冷却装置８１、第二窒素ブースター７１ａ、第二冷却装置８ａ、第一窒素ブースター７１、第一冷却装置８を介して、その後に、主熱交換器１の温端から導入し、冷端から導出し、その後に、減圧弁１０９を介して、気液分離器１１０へ導入するためのラインである。
第一製品窒素第二分岐ラインＬ２３ｂは、第二窒素ブースター７１ａより上流の第一製品窒素分岐ラインＬ２３ａから分岐して第一製品窒素ガスの一部を導出し、主熱交換器１の温端から導入し、第一中間部１ａから導出し、第二窒素膨張タービン７２ａで仕事をさせた後で、再び主熱交換器１の中間部へ導入し、主熱交換器１の中で、第二製品窒素ラインＬ４３と合流するためのラインである。
第一製品窒素第三分岐ラインＬ２３ｃは、主熱交換器１の内部の第一製品窒素分岐ラインＬ２３ａから分岐して第一製品窒素ガスの一部を主熱交換器１の第一中間部１ａよりも冷端側の第二中間部１ｂから導出し、第一窒素膨張タービン７２で第一製品窒素ガスを膨張し冷却し、主熱交換器１の冷端より上流の第二製品窒素ラインＬ４３へ合流するためのラインである。
第一製品窒素第二分岐ラインＬ２３ｂは、第二窒素ブースター７１ａより上流の第一製品窒素分岐ラインＬ２３ａから分岐して第一製品窒素ガスの一部を導出し、主熱交換器１の温端から導入し、第一中間部１ａから導出し、第二窒素膨張タービン７２ａで仕事をさせた後で、再び主熱交換器１の中間部へ導入し、主熱交換器１の中で、第二製品窒素ラインＬ４３と合流するためのラインである。
第一製品窒素第三分岐ラインＬ２３ｃは、主熱交換器１の内部の第一製品窒素分岐ラインＬ２３ａから分岐して第一製品窒素ガスの一部を主熱交換器１の第一中間部１ａよりも冷端側の第二中間部１ｂから導出し、第一窒素膨張タービン７２で第一製品窒素ガスを膨張し冷却し、主熱交換器１の冷端より上流の第二製品窒素ラインＬ４３へ合流するためのラインである。
【0038】
第一窒素ブースター７１と第一窒素膨張タービン７２とで、第一窒素ブースタータービン７を構成し、第二窒素ブースター７１ａと第二窒素膨張タービン７２ａとで、第二窒素ブースタータービン７ａを構成する。
窒素圧縮機７１１は、第一製品窒素分岐ラインＬ２３ａに設けられ、所定圧力に第一製品窒素ガスを昇圧する。第三冷却装置８１は、第一製品窒素分岐ラインＬ２３ａに設けられ、窒素圧縮機７１１で圧縮された第一製品窒素ガスを所定の温度に冷却する。
第二窒素ブースター７１ａは、第一製品窒素分岐ラインＬ２３ａに設けられ、第三冷却装置８１で冷却された第一製品窒素ガスを所定の圧力に昇圧する。第二冷却装置８ａは、第一製品窒素分岐ラインＬ２３ａに設けられ、第二窒素ブースター７１ａで昇圧された第一製品窒素ガスを所定温度へ冷却する。
第一窒素ブースター７１は、第一製品窒素分岐ラインＬ２３ａに設けられ、第二冷却装置８ａで冷却された第一製品窒素ガスを所定の圧力に昇圧する。第一冷却装置８は、第一製品窒素分岐ラインＬ２３ａに設けられ、第一窒素ブースター７１で昇圧された第一製品窒素ガスを所定温度へ冷却する。
窒素圧縮機７１１は、第一製品窒素分岐ラインＬ２３ａに設けられ、所定圧力に第一製品窒素ガスを昇圧する。第三冷却装置８１は、第一製品窒素分岐ラインＬ２３ａに設けられ、窒素圧縮機７１１で圧縮された第一製品窒素ガスを所定の温度に冷却する。
第二窒素ブースター７１ａは、第一製品窒素分岐ラインＬ２３ａに設けられ、第三冷却装置８１で冷却された第一製品窒素ガスを所定の圧力に昇圧する。第二冷却装置８ａは、第一製品窒素分岐ラインＬ２３ａに設けられ、第二窒素ブースター７１ａで昇圧された第一製品窒素ガスを所定温度へ冷却する。
第一窒素ブースター７１は、第一製品窒素分岐ラインＬ２３ａに設けられ、第二冷却装置８ａで冷却された第一製品窒素ガスを所定の圧力に昇圧する。第一冷却装置８は、第一製品窒素分岐ラインＬ２３ａに設けられ、第一窒素ブースター７１で昇圧された第一製品窒素ガスを所定温度へ冷却する。
【0039】
減圧弁１０９は、主熱交換器１の冷端より下流の第一製品窒素分岐ラインＬ２３ａに設けられ、第一製品窒素ガスを膨張する。減圧弁１０９で、第一製品窒素ガスが膨張され、ガス分と液分の混合状態となり、下流の気液分離器１１０へ送られる。気液分離器１１０は、ガス分と液分とに分離する。ガス分は、第二製品窒素ラインＬ４３へ合流し、主熱交換器１へ再び導入される。液分は、液化窒素として取り出すことができる。
【0040】
第二窒素膨張タービン７２ａは、第二窒素ブースター７１ａより上流の第一製品窒素分岐ラインＬ２３ａから分岐して第一製品窒素ガスの一部を導出し、主熱交換器１の温端から導入し、第一中間部１ａから導出される第一製品窒素ガスを、膨張し冷却する。
第一窒素膨張タービン７２は、第一冷却装置８で冷却され、主熱交換器１の温端から導入し、第一中間部１ａよりも冷端側の第二中間部１ｂから導出される第一製品窒素ガスの一部を、膨張し冷却する。
第一窒素膨張タービン７２は、第一冷却装置８で冷却され、主熱交換器１の温端から導入し、第一中間部１ａよりも冷端側の第二中間部１ｂから導出される第一製品窒素ガスの一部を、膨張し冷却する。
【0041】
窒素発生装置Ａ３によれば、第一製品窒素ガスの少なくとも一部が、窒素圧縮機７１１で昇圧された後に、第一、第二窒素ブースター７１、７１ａで昇圧され、主熱交換器１で冷却された後に第二窒素ガスの圧力まで減圧され、液化される。この液化窒素流は、多少の気体成分を含むので、減圧弁１０９および気液分離器１１０に導入されて液体と気体に分離される。気体成分は第二窒素ガス流と合流される。
第二窒素ブースター７１ａは、窒素圧縮機７１１から供給される圧縮窒素ガスの一部を主熱交換器１へ導入して第一中間部１ａで導出された後で、第二窒素膨張タービン７２ａにより膨張することによって駆動される。
第一窒素ブースター７１は、第一、第二窒素ブースター７１、７１ａで昇圧された窒素ガスの一部を主熱交換器１へ導入して第二中間部１ｂで導出された後で、第一窒素膨張タービン７２により膨張することによって駆動される。
液化窒素の需要に応えるため、第一窒素ブースタータービン（７１、７２）に追加して、窒素圧縮機７１１と、第二窒素ブースタータービン（７１ａ、７２ａ）を組み合わせた構成である。窒素液化のために、窒素を超臨界圧（例えば５０ｂａｒＡ）まで、窒素圧縮機７１１、第一、第二窒素ブースター７１、７１ａで、圧縮した後に主熱交換器１で冷却し、減圧弁１０９で膨張して液化する。液化に求められる寒冷は、圧縮窒素ガスの一部を第一、第二窒素膨張タービン７２、７２ａで膨張することによって駆動原として使用できる。
第二窒素ブースター７１ａは、窒素圧縮機７１１から供給される圧縮窒素ガスの一部を主熱交換器１へ導入して第一中間部１ａで導出された後で、第二窒素膨張タービン７２ａにより膨張することによって駆動される。
第一窒素ブースター７１は、第一、第二窒素ブースター７１、７１ａで昇圧された窒素ガスの一部を主熱交換器１へ導入して第二中間部１ｂで導出された後で、第一窒素膨張タービン７２により膨張することによって駆動される。
液化窒素の需要に応えるため、第一窒素ブースタータービン（７１、７２）に追加して、窒素圧縮機７１１と、第二窒素ブースタータービン（７１ａ、７２ａ）を組み合わせた構成である。窒素液化のために、窒素を超臨界圧（例えば５０ｂａｒＡ）まで、窒素圧縮機７１１、第一、第二窒素ブースター７１、７１ａで、圧縮した後に主熱交換器１で冷却し、減圧弁１０９で膨張して液化する。液化に求められる寒冷は、圧縮窒素ガスの一部を第一、第二窒素膨張タービン７２、７２ａで膨張することによって駆動原として使用できる。
【0042】
（実施例）
実施形態１の窒素発生装置の物理シミュレーションの結果を示す。
原料空気が温度２０．０℃、圧力９．９ｂａｒＡ、流量９６２Ｎｍ３／ｈで主熱交換器１の温端から導入され、－１６３．３℃まで冷却されて第一窒素精留塔２に導入される。
第一窒素精留塔２は、頂部２３に第一窒素凝縮器３を備え、頂部２３の窒素ガスを凝縮して第一窒素精留塔２の頂部２３に返す。
その一部の液体窒素５２Ｎｍ３／ｈを導出してサブクーラ６で、－１７９．２℃まで冷却し、第二窒素精留塔４の頂部４３に供給する。第一窒素精留塔２の頂部２３にたまった窒素ガスは、第一製品窒素ガスとして３４６Ｎｍ３／ｈで導出され、主熱交換器１で１９．０℃まで加温され、９．６ｂａｒＡの圧力で導出される。
第一窒素精留塔２の底部２１からは、酸素濃度３５．８％の第一酸素富化液が５６４Ｎｍ３／ｈで導出され、サブクーラ６で－１６８．８℃まで冷却された後に、第二窒素精留塔４の中間に導入される。
実施形態１の窒素発生装置の物理シミュレーションの結果を示す。
原料空気が温度２０．０℃、圧力９．９ｂａｒＡ、流量９６２Ｎｍ３／ｈで主熱交換器１の温端から導入され、－１６３．３℃まで冷却されて第一窒素精留塔２に導入される。
第一窒素精留塔２は、頂部２３に第一窒素凝縮器３を備え、頂部２３の窒素ガスを凝縮して第一窒素精留塔２の頂部２３に返す。
その一部の液体窒素５２Ｎｍ３／ｈを導出してサブクーラ６で、－１７９．２℃まで冷却し、第二窒素精留塔４の頂部４３に供給する。第一窒素精留塔２の頂部２３にたまった窒素ガスは、第一製品窒素ガスとして３４６Ｎｍ３／ｈで導出され、主熱交換器１で１９．０℃まで加温され、９．６ｂａｒＡの圧力で導出される。
第一窒素精留塔２の底部２１からは、酸素濃度３５．８％の第一酸素富化液が５６４Ｎｍ３／ｈで導出され、サブクーラ６で－１６８．８℃まで冷却された後に、第二窒素精留塔４の中間に導入される。
【0043】
第二窒素精留塔４は、頂部４３に第二窒素凝縮器５を備え、頂部４３の窒素ガスを凝縮して第二窒素精留塔４の頂部４３に返す。第二窒素精留塔４の頂部４３にたまった窒素ガスは、第二製品窒素ガスとして３４９Ｎｍ３／ｈで導出され、サブクーラ６を冷却した後、主熱交換器１で１９．０℃まで加温され、４．１ｂａｒＡの圧力で導出される。
第二窒素精留塔４の底部（第一窒素凝縮器３の冷媒貯留部３１）からは、酸素濃度７５．５％の第二酸素富化液が２６７Ｎｍ３／ｈ導出され、サブクーラ６で－１７９．２℃まで冷却された後に、第二窒素凝縮器５の低温側（冷媒貯留部５１）に導入される。第二酸素富化液は、第二窒素凝縮器５で蒸発されて第二酸素富化ガスとなり、サブクーラ６を冷却した後、主熱交換器１で１９．０℃まで加温され、１．２ｂａｒＡの圧力で導出される。
第一製品窒素ガスの内、７０Ｎｍ３／ｈは、第一窒素ブースター７１で１４．６ｂａｒＡまで昇圧され、冷却装置８（アフタークーラ）で３５．０℃まで冷却された後に主熱交換器１の温端から導入され、－７８．４℃まで冷却された後に第一窒素膨張タービン７２で４．２ｂａｒＡまで膨張され、－１２９．６℃まで冷却されて主熱交換器１に導入される。この膨張された窒素ガスは、第二製品窒素ガスと合流して、主熱交換器１から導出される。
第二窒素精留塔４の底部（第一窒素凝縮器３の冷媒貯留部３１）からは、酸素濃度７５．５％の第二酸素富化液が２６７Ｎｍ３／ｈ導出され、サブクーラ６で－１７９．２℃まで冷却された後に、第二窒素凝縮器５の低温側（冷媒貯留部５１）に導入される。第二酸素富化液は、第二窒素凝縮器５で蒸発されて第二酸素富化ガスとなり、サブクーラ６を冷却した後、主熱交換器１で１９．０℃まで加温され、１．２ｂａｒＡの圧力で導出される。
第一製品窒素ガスの内、７０Ｎｍ３／ｈは、第一窒素ブースター７１で１４．６ｂａｒＡまで昇圧され、冷却装置８（アフタークーラ）で３５．０℃まで冷却された後に主熱交換器１の温端から導入され、－７８．４℃まで冷却された後に第一窒素膨張タービン７２で４．２ｂａｒＡまで膨張され、－１２９．６℃まで冷却されて主熱交換器１に導入される。この膨張された窒素ガスは、第二製品窒素ガスと合流して、主熱交換器１から導出される。
【0044】
第一窒素ブースタータービン７の構成では、第一窒素膨張タービン７１で１．２１ｋＷの寒冷を発生させることができる。従来技術において同等の寒冷を発生させるためには、第一製品窒素ガスを１０９Ｎｍ３／ｈで導出し、－９６．８℃の温度で導出してから膨張させる必要があった。即ち実施例によって寒冷を発生させるために膨張される製品窒素ガス量を３５．８％削減することができた。これにより、その分、窒素圧縮機で再圧縮する動力も削減することができる（窒素圧縮機を削減できる）。
【0045】
（別実施形態）
（１）特に明示していないが、各配管ラインに圧力調整装置、流量制御装置などが設置され、圧力調整または流量調整が行われていてもよい。
（２）特に明示していないが、各ラインに制御弁、仕切弁などが設置されていてもよい。
（３）特に明示していないが、各塔に圧力調整装置、温度測定装置などが設置され、圧力調整または温度調整が行われていてもよい。
（４）実施形態１、２では、主熱交換器１とサブクーラ６とが連結されている構成であったがこれに制限されず、物理的に分離された別体として構成されていてもよい。
（５）実施形態３では、主熱交換器１とサブクーラ６とが連結されていない構成であったがこれに制限されず、実施形態１、２と同様に連結されていてもよい。
（１）特に明示していないが、各配管ラインに圧力調整装置、流量制御装置などが設置され、圧力調整または流量調整が行われていてもよい。
（２）特に明示していないが、各ラインに制御弁、仕切弁などが設置されていてもよい。
（３）特に明示していないが、各塔に圧力調整装置、温度測定装置などが設置され、圧力調整または温度調整が行われていてもよい。
（４）実施形態１、２では、主熱交換器１とサブクーラ６とが連結されている構成であったがこれに制限されず、物理的に分離された別体として構成されていてもよい。
（５）実施形態３では、主熱交換器１とサブクーラ６とが連結されていない構成であったがこれに制限されず、実施形態１、２と同様に連結されていてもよい。
【符号の説明】
【0046】
１ 熱交換器
２ 第一窒素精留塔
３ 第一窒素凝縮器
４ 第二窒素精留塔
５ 第二窒素凝縮器
６ サブクーラ
７１ 第一窒素ブースター
７２ 第一窒素膨張タービン
８ 冷却装置
９ 第二酸素富化ガス膨張タービン
２ 第一窒素精留塔
３ 第一窒素凝縮器
４ 第二窒素精留塔
５ 第二窒素凝縮器
６ サブクーラ
７１ 第一窒素ブースター
７２ 第一窒素膨張タービン
８ 冷却装置
９ 第二酸素富化ガス膨張タービン
【要約】
【課題】複式精留塔でのカスケードプロセスにおいて、昇圧膨張プロセスを利用して、第一精留塔から導出される製品窒素の回収率を低下させることなく、熱効率にも優れた窒素製造方法を提供する。。
【解決手段】主熱交換器１と、第一窒素精留塔２と、第一窒素凝縮器３と、第二窒素精留塔４と、第二窒素凝縮器５と、第一窒素ブースター７１、第一窒素膨張タービン７２と、冷却装置８を備える窒素発生装置を用いた窒素製造方法であって、第一窒素精留塔２から導出される第一窒素ガスの一部が、主熱交換器１に導入され、導出された第一製品窒素ガスの少なくとも一部が、第一窒素ブースター７１で昇圧され、冷却装置８で冷却された後で、主熱交換器１の温端から再導入され、主熱交換器１の中間から導出されて第一窒素膨張タービン７２で膨張して冷却されるステップを含む。
【選択図】図１
【解決手段】主熱交換器１と、第一窒素精留塔２と、第一窒素凝縮器３と、第二窒素精留塔４と、第二窒素凝縮器５と、第一窒素ブースター７１、第一窒素膨張タービン７２と、冷却装置８を備える窒素発生装置を用いた窒素製造方法であって、第一窒素精留塔２から導出される第一窒素ガスの一部が、主熱交換器１に導入され、導出された第一製品窒素ガスの少なくとも一部が、第一窒素ブースター７１で昇圧され、冷却装置８で冷却された後で、主熱交換器１の温端から再導入され、主熱交換器１の中間から導出されて第一窒素膨張タービン７２で膨張して冷却されるステップを含む。
【選択図】図１
【図1】
【図2】
【図3】
