JP2010025513A - 窒素製造方法及び装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】製品窒素圧力が低い場合であっても効率よく製品窒素ガスを採取することができに、動力原単位を低減できる窒素製造方法及び装置を提供する。
【解決手段】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分離工程と、第１酸素富化液化流体を第２窒素ガスと第２酸素富化液化流体とに分離する第２分離工程と、第２酸素富化液化流体の一部からなる第３酸素富化液化流体を第３酸素富化ガス流体と第４酸素富化液化流体とに分離する第３分離工程と、原料空気と第４酸素富化液化流体とを間接熱交換させる第１間接熱交換工程と、第２酸素富化液化流体と第１窒素ガスとを間接熱交換させる第２間接熱交換工程と、第４酸素富化液化流体の一部からなる第５酸素富化液化流体と第２窒素ガスとを間接熱交換させる第３間接熱交換工程と、第２窒素ガスの一部を製品窒素ガスとして導出する製品回収工程とを含んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒素製造方法及び装置に関し、詳しくは、圧縮、精製、冷却した原料空気を深冷液化分離して製品窒素ガスを採取する窒素製造方法及び装置に関する。
空気を深冷分離して製品窒素ガスを製造する方法としては、基本的に単精留塔装置を用いる方法が広く行われており、近年は、製品収率や動力原単位を改善するために様々なプロセスが提案されている。その中で、２塔の精留塔を採用し、従来のプロセスでは破棄されていた廃ガスを第２の精留塔の原料とするプロセスは、第２の精留塔に原料として導入する廃ガスを圧縮したり、昇温したりすることがないので、新たな圧縮動力や昇温に必要な熱交換器も基本的に不要となるという利点を有している。
このような２塔式のプロセスでは、第２の精留塔から得られる一部の製品窒素ガスを所定圧力まで昇圧することが必要となる場合もあるが、必要エネルギーは最小限となり、従来の単精留塔のプロセスに比較して製品収率や動力原単位を大幅に改善することが可能である（例えば、特許文献１，２参照。）。
特許第３７３８２１３号公報 特開２００８−１６４２３６号公報
しかし、前述の２塔式の場合、これらのプロセスの性格上、装置運転圧力の下限が存在するため、製品窒素ガスの圧力が低い場合には、高製品収率の特徴を生かしつつ対応することは困難であった。例えば、前記特許文献１に記載されたプロセスでは、製品窒素ガスの圧力が０．８０ＭＰａ程度の圧力ならば効率よく製品窒素ガスを採取することができるが、それよりも低い圧力の場合には対応が極めて困難であった。また、特許文献２に記載されたプロセスでは、製品窒素ガスの圧力が０．６０ＭＰａ程度の圧力ならば効率よく製品窒素ガスを採取することができるが、それよりも低い圧力の場合、例えば製品窒素ガスの圧力が０．４０ＭＰａ程度に低くなると対応が極めて困難であった。
また、一般に酸素及び窒素製造用として用いられている複式精留プロセスにおけるプロセスを酸素及び窒素製造用から窒素製造用に変更し、低圧窒素ガスを製造するのに適したプロセスとすることにより、低圧の製品窒素ガスを得ることは可能であるが、前記各プロセスに比べて動力原単位が高くなるという問題があった。
そこで本発明は、製品窒素ガスに要求される圧力が低い場合であっても、効率よく製品窒素ガスを採取することができ、動力原単位の低減が可能な窒素製造方法及び装置を提供することを目的としている。
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、冷却した原料空気と後述の第４酸素富化液化流体とを間接熱交換させて原料空気の一部を凝縮液化して気液二相空気を得ると同時に第４酸素富化液化流体を蒸発ガス化して第４酸素富化ガス流体を得る第１間接熱交換工程と、前記気液二相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酸素富化液化流体を減圧後に低温蒸留して第２窒素ガスと第２酸素富化液化流体とに分離する第２分離工程と、前記第２酸素富化液化流体と前記第１窒素ガス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２酸素富化液化流体の一部を液状態のまま抜き出した第３酸素富化液化流体を低温蒸留して第３酸素富化ガス流体と第４酸素富化液化流体とに分離する第３分離工程と、前記第４酸素富化液化流体の一部を液状態のまま第５酸素富化液化流体として抜き出し、減圧後に前記第２窒素ガスと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減圧後の第５酸素富化液化流体を蒸発ガス化して第５酸素富化ガス流体を得る第３間接熱交換工程と、前記第２窒素ガスの一部を熱回収後に製品窒素ガスとして採取する製品回収工程とを含むことを特徴としている。
さらに、本発明の窒素製造方法は、前記構成の窒素製造方法において、装置の運転に必要な寒冷を得るため、前記第５酸素富化ガス流体を膨張タービンに導入して膨張させる寒冷発生工程、前記原料空気の一部を膨張タービンに導入して膨張させる寒冷発生工程、系外から液化ガスを供給する液化ガス注入工程のいずれかの工程を含むことを特徴としている。
また、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、冷却した原料空気と後述の第４酸素富化液化流体とを間接熱交換させて原料空気の一部を凝縮液化して気液二相空気を得ると同時に第４酸素富化液化流体を蒸発ガス化して第４酸素富化ガス流体を得る第１間接熱交換器と、前記気液二相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精留塔と、前記第１酸素富化液化流体を減圧後に低温蒸留して第２窒素ガスと第２酸素富化液化流体とに分離する第２精留塔と、前記第２酸素富化液化流体と前記第１窒素ガス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間接熱交換器と、前記第２酸素富化液化流体の一部を前記第２精留塔の底部から液状態のまま抜き出した第３酸素富化液化流体を低温蒸留して第３酸素富化ガス流体と第４酸素富化液化流体とに分離する第３精留塔と、前記第４酸素富化液化流体の一部を前記第３精留塔の底部から液状態のまま抜き出した第５酸素富化液化流体を減圧後に前記第２窒素ガスと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減圧後の第５酸素富化液化流体を蒸発ガス化して第５酸素富化ガス流体を得る第３間接熱交換器と、前記第２窒素ガスの一部を熱回収後に製品窒素ガスとして採取する製品回収経路とを含むことを特徴としている。さらに、前記第２精留塔と前記第３精留塔を、前記第２精留塔の下部に前記第３精留塔が一体化された１塔型とすることもできる。
本発明によれば、製品窒素ガスの圧力が低い場合、例えば０．４０ＭＰａ程度であっても、製品窒素ガスを効率よく採取することができ、動力原単位を低減することができる。
図１は本発明の窒素製造方法を実施可能な窒素製造装置の第１形態例を示す系統図である。この窒素製造装置は、第１精留塔１１，第２精留塔１２及び第３精留塔１３と、第３精留塔１３の下部に設けられた第１間接熱交換器１４，第２精留塔１２の下部に設けられた第２間接熱交換器１５及び第２精留塔１２の上部に設けられた第３間接熱交換器１６と、装置の運転に必要な寒冷を得るための膨張タービン１７と、保冷外槽１８に導入されるガス（原料空気）と保冷外槽１８から導出されるガス（製品窒素ガス及び廃ガス）とを熱交換させる主熱交換器１９とを備えている。
以下、原料空気を深冷液化分離して製品窒素を採取する方法に基づいて、装置構成及びプロセスを詳細に説明する。まず、原料空気(AIR)は、空気圧縮機２１で所定の圧力に圧縮され、空気予冷器２２で常温付近まで冷却された後、精製器２３で原料空気中の水分や二酸化炭素等の不純物が吸着除去されて精製される。精製された圧縮原料空気は、経路２４から保冷外槽１８内に導入され、前記主熱交換器１９で保冷外槽１８内から導出されるガス（製品窒素ガス、廃ガス）と間接熱交換を行い、露点付近まで冷却される。
主熱交換器１９で冷却された原料空気は、経路２５から前記第１間接熱交換器１４に導入され、該第１間接熱交換器１４で第１間接熱交換工程が行われる。この第１間接熱交換工程では、第３精留塔１３の下部に分離した第４酸素富化液化流体と前記原料空気とが間接熱交換を行い、原料空気の一部が凝縮液化して気液二相空気になると同時に、第４酸素富化液化流体が蒸発ガス化して第４酸素富化ガス流体となる。
第１間接熱交換工程で得られた気液二相空気は、第１間接熱交換器１４から経路２６を経て前記第１精留塔１１の下部に導入され、該第１精留塔１１で気液二相空気の気相部（原料空気）に対する第１分離工程が行われる。この第１分離工程では、前記気液二相空気中のガス成分が第１精留塔１１の上昇ガスとなり、第１精留塔１１の上部から還流液として流下する第１液化窒素との気液接触により低温蒸留され、第１精留塔１１の上部に原料空気中の窒素が濃縮されて第１窒素ガスが分離するとともに、第１精留塔１１の下部に原料空気中の酸素が濃縮され、気液二相空気の液相部と混合して第１酸素富化液化流体が分離する。この第１酸素富化液化流体は、第１精留塔１１の下部から経路２７に導出され、減圧弁２８で減圧された後、経路２９を経て前記第２精留塔１２の中部に導入される。
また、前記第１窒素ガスは、第１精留塔１１の上部から経路３０に導出されて前記第２間接熱交換器１５に導入され、該第２間接熱交換器１５で第２間接熱交換工程が行われる。この第２間接熱交換工程では、第２精留塔１２の下部に分離した第２酸素富化液化流体と前記第１窒素ガスとが間接熱交換を行い、第１窒素ガスの全量が凝縮液化して第１液化窒素になると同時に、第２酸素富化液化流体が蒸発ガス化して第２酸素富化ガス流体となる。第２間接熱交換器１５から経路３１に導出された第１液化窒素は、経路３２と経路３３とに分岐し、経路３２に分岐した第１液化窒素は第１精留塔１１の上部に導入され、第１精留塔１１の下降液（還流液）となる。経路３３に分岐した第１液化窒素は、減圧弁３４で減圧された後、経路３５を経て第２精留塔１２の上部に導入されて第２精留塔１２の還流液となる。
第２精留塔１２では、経路２９から塔中部に導入された前記第１酸素富化液化流体に対する第２分離工程が行われる。この第２分離工程は、前記第１酸素富化液化流体と、経路３５から塔上部に導入された前記第１液化窒素と、前記第２間接熱交換器１５で蒸発ガス化した前記第２酸素富化ガス流体と、第２精留塔１２上部の前記第３間接熱交換器１６から経路３６を経て導入される第２液化窒素と、第３精留塔１３の上部から経路３７を経て導入される第３酸素富化ガス流体との気液接触により低温蒸留が行われ、第２精留塔１２の上部に第１酸素富化液化流体中の窒素成分が濃縮して第２窒素ガスが分離し、下部に第１酸素富化液化流体中の酸素成分が濃縮して前記第２酸素富化液化流体が分離する。
第２窒素ガスは、第２精留塔１２の上部から経路３８に導出されて経路３９と経路４０とに分岐する。経路３９に分岐した第２窒素ガスは製品回収工程に進み、主熱交換器１９で前記原料空気と熱交換を行うことにより熱回収された後、製品回収経路４１を経て保冷外槽１８から導出され、製品窒素ガス(GN)として採取される。
また、前記経路４０に分岐した第２窒素ガスは前記第３間接熱交換器１６に導入され、該第３間接熱交換器１６で第３間接熱交換工程が行われる。この第３間接熱交換工程では、前記第３精留塔１３の下部から経路４２に導出され、減圧弁４３で減圧して経路４４から第３間接熱交換器１６に導入される第５酸素富化液化流体と前記第２窒素ガスとが間接熱交換を行い、第２窒素ガスの全量が凝縮液化して第２液化窒素になると同時に、第５酸素富化液化流体が蒸発ガス化して第５酸素富化ガス流体になる。第２液化窒素は、前記経路３６を経て第２精留塔１２の上部に導入され、第２精留塔１２の還流液となる。
第２精留塔１２の下部に分離した前記第２酸素富化液化流体は、その一部が経路４５に導出されて第３酸素富化液化流体となり、第３精留塔１３の上部に導入されて第３精留塔１３の還流液となり、第３酸素富化液化流体に対する第３分離工程が行われる。この第３分離工程では、前記第１間接熱交換器１４での第１間接熱交換工程で蒸発ガス化した前記第４酸素富化ガス流体が上昇ガスとなり、還流液である前記第３酸素富化液化流体とが気液接触することによって低温蒸留され、第３精留塔１３の上部に第３酸素富化液化流体中の窒素分が増加した第３酸素富化ガス流体が分離し、第３精留塔１３の下部に第３酸素富化液化流体中の酸素分が増加した第４酸素富化液化流体が分離する。
前記第３酸素富化ガス流体は、第３精留塔１３の上部から前記経路３７に導出され、前記第２精留塔１２の下部に上昇ガスとして導入される。また、前記第４酸素富化液化流体の一部は、第３精留塔１３の下部から前記経路４２に第５酸素富化液化流体として導出され、前記減圧弁４３で減圧されて前記第３間接熱交換器１６に導入される。第３間接熱交換器１６における前記第３間接熱交換工程で第５酸素富化液化流体の全量が蒸発ガス化して第５酸素富化ガス流体になり、第３間接熱交換器１６から経路４６に導出される。
経路４６に導出された第５酸素富化ガス流体は、経路４６から経路４７と経路４８とに分岐し、経路４７に分岐した第５酸素富化ガス流体は寒冷発生工程に進み、主熱交換器１９で前記原料空気と熱交換を行うことによって一部熱回収された後、主熱交換器１９の中間部から経路４９に導出されて前記膨張タービン１７に導入され、膨張タービン１７で膨張することによって装置の運転に必要な寒冷を発生し、膨張タービン１７から経路５０に導出される。
前記経路４８に分岐した第５酸素富化ガス流体は、減圧弁５１で減圧された後、前記経路５０の膨張後の第５酸素富化ガス流体と合流し、主熱交換器１９で前記原料空気と熱交換を行うことによって熱回収された後、保冷外槽１８から経路５２を経て廃ガス(WG)として導出され、一部は精製器２３の再生ガスに用いられる。
図２は本発明の窒素製造方法を実施可能な窒素製造装置の第２形態例を示す系統図である。なお、以下の説明において、前記第１形態例に示した窒素製造装置の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
本形態例は、前記第１形態例における第２精留塔（１２）と第３精留塔（１３）とを一体化した精留塔（以下、便宜的に第４精留塔という）６１を使用した窒素製造装置を示すもので、第４精留塔６１は、前記第２精留塔（１２）と同じ第２分離工程を行う第２精留塔部６１ａと、前記第３精留塔（１３）と同じ第３分離工程を行う第３精留塔部６１ｂとを有しており、前記第２精留塔部６１ａの下部に前記第３精留塔部６１ｂを連設して一体化したものである。さらに、第３精留塔部６１ｂの下部には、前記第１間接熱交換工程を行う第１間接熱交換器１４が設けられ、第２精留塔部６１ａと第３精留塔部６１ｂとの間には、前記第２間接熱交換工程を行う第２間接熱交換器１５が設けられ、第２精留塔部６１ａの上部には、前記第３間接熱交換工程を行う第３間接熱交換器１６が設けられている。
第２間接熱交換器１５の部分では、第２精留塔部６１ａの気液接触部から流下する前記第２酸素富化液化流体と前記第１窒素ガスとが間接熱交換を行い、第１窒素ガスが凝縮液化して第１液化窒素になると同時に、第２酸素富化液化流体の一部が蒸発ガス化して第２酸素富化ガス流体となり、第２精留塔部６１ａの上昇ガスとなる。また、第２間接熱交換器１５で蒸発ガス化しなかった第２酸素富化液化流体は、液状のまま第３酸素富化液化流体となって下方の第３精留塔部６１ｂに向かって流下し、第３精留塔部６１ｂの還流液となる。さらに、第３精留塔部６１ｂの気液接触部から上昇した第３酸素富化ガス流体は、第２間接熱交換器１５の部分を通過して上昇し、第２精留塔部６１ａの上昇ガスとなる。
この第２形態例に示す窒素製造装置においても、前記第１形態例と同様の第１分離工程、第２分離工程、第３分離工程、第１間接熱交換工程、第２間接熱交換工程、第３間接熱交換工程、製品回収工程及び寒冷発生工程がそれぞれ行われ、製品回収経路４１から製品窒素ガス(GN)が採取される。
図３は本発明の窒素製造方法を実施可能な窒素製造装置の第３形態例を示す系統図である。本形態例は、寒冷発生工程で寒冷を発生する流体を前記第５酸素富化ガス流体に代えて原料空気の一部を用いたものである。
空気圧縮機２１で圧縮され、空気予冷器２２を経て精製器２３で精製された原料空気(AIR)は、経路２４から保冷外槽１８内の主熱交換器１９に導入され、該主熱交換器１９の中間部で一部の原料空気が経路７１に分岐し、膨張タービン１７に導入されて寒冷発生工程を行う。膨張タービン１７で膨張した一部の原料空気は、経路７２を経て第３精留塔１３の中部に上昇ガスとして導入され、第３酸素富化液化流体と共に第３分離工程に供される。
残部の原料空気は、主熱交換器１９で露点付近まで冷却された後、前記第１形態例及び前記第２形態例と同様に、経路２５から前記第１間接熱交換器１４に導入され、以下、前記第１形態例及び前記第２形態例と同様に第１分離工程、第２分離工程、第３分離工程、第１間接熱交換工程、第２間接熱交換工程、第３間接熱交換工程及び製品回収工程が行われ、製品回収経路４１から製品窒素ガス(GN)が採取される。また、第３間接熱交換器１６で蒸発ガス化した第５酸素富化ガス流体は、寒冷発生工程を行うことなく、その全量が経路４６を通って主熱交換器１９に導入され、熱回収された後に経路５２から廃ガス(WG)として導出される。
また、前記膨張タービン１７で膨張した一部の原料空気は、前記第３精留塔１３に導入するのに代えて、経路７３から第２精留塔１２の中部に上昇ガスとして導入することもできる。この場合も、経路２９から第２精留塔１２の中部に導入される第１酸素富化液化流体とともに第２分離工程が行われ、他の各工程を前記同様に行うことにより、製品回収経路４１から製品窒素ガス(GN)が採取される。
図４は本発明の窒素製造方法を実施可能な窒素製造装置の第４形態例を示す系統図である。本形態例では、前記第３形態例と同様に、膨張タービン１７で寒冷発生工程を行う流体を原料空気の一部にするとともに、前記第２形態例と同様に、第２分離工程を行う第２精留塔部６１ａと第３分離工程を行う第３精留塔部６１ｂとを一体化した第４精留塔６１を用いている。
主熱交換器１９の中間部で経路７１に分岐し、膨張タービン１７で膨張して寒冷発生工程を行い、膨張タービン１７から経路７２に導出された一部の原料空気は、経路７２から第４精留塔６１の第３精留塔部６１ｂ中部に上昇ガスとして導入され、前記同様に、第３酸素富化液化流体と共に第３分離工程が行われる。あるいは、経路７３から第４精留塔６１の第２精留塔部６１ａ中部に上昇ガスとして導入され、前記同様に、第１酸素富化液化流体と共に第２分離工程が行われる。
本形態例においても、前記各形態例と同様に、第１分離工程、第２分離工程、第３分離工程、第１間接熱交換工程、第２間接熱交換工程、第３間接熱交換工程及び製品回収工程が行われることにより、製品回収経路４１から製品窒素ガス(GN)が採取される。
以上の各形態例において、前記第１形態例及び第２形態例では、原料空気の全量が第１間接熱交換器１４及び第２間接熱交換器１５での間接熱交換に供されるため、第３形態例及び第４形態例に比べて第１間接熱交換器１４及び第２間接熱交換器１５における交換熱量が大きくなり、第２精留塔１２及び第３精留塔１３の上昇ガス量が増えるため、製品窒素ガスの収率を高くすることができる。
一方、第３形態例及び第４形態例では、第５酸素富化ガス流体を膨張タービン１７で膨張させる必要がないため、第５酸素富化ガス流体の圧力を第１形態例及び第２形態例に比べて下げることができる。これにより、各精留塔１１，１２，１３の運転圧力を低くすることができるため、第１形態例及び第２形態例に比べて製品窒素ガスの圧力を低くすることができる。すなわち、回収する製品窒素ガスの圧力が、例えば０．４０〜０．５５ＭＰａ程度の比較的低い圧力の場合は、原料空気の一部を用いて寒冷発生工程を行うことにより、原料空気の圧力を低くすることができ、空気圧縮機２１の消費動力が少なくなるため、より効率的に製品窒素ガスを製造でき、動力原単位を更に低減することができる。
また、低温の液化ガスを利用可能な環境にある場合には、該液化ガスを、該液化ガスの組成に見合った経路に注入して液化ガス注入工程を行うことにより、装置の運転に必要な寒冷を補うことができる。この場合、原料空気の全量を第１間接熱交換器１４及び第２間接熱交換器１５での間接熱交換に供することができるとともに、第５酸素富化ガス流体の圧力を下げることができることから、製品窒素ガスの収率を高くでき、動力原単位の低減を図れることができるので、注入する液化ガスのコストが低廉な場合には効果的である。
第１形態例で示した窒素製造装置を使用し、原料空気流量を１００、製品窒素ガス圧力を０．６０ＭＰａ、製品窒素ガス中の許容酸素濃度を０．１ｐｐｍとしたときの各経路におけるプロセス値をシミュレーションした。圧力１．００ＭＰａの原料空気を、圧力０．９７ＭＰａの第１精留塔１１、圧力０．６１ＭＰａの第２精留塔１２及び圧力０．６３ＭＰａの第３精留塔１３で各分離工程及び各間接熱交換器１４，１５，１６で各間接熱交換工程をそれぞれ行うことにより、流量６８、圧力０．６０ＭＰａ、酸素濃度０．１ｐｐｍの製品窒素ガスが回収される。また、流量３２、圧力０．２１ＭＰａ、酸素濃度６６％の第５酸素富化ガス流体は、その大部分が膨張タービン１０での寒冷発生に利用され、熱回収された後に、精製器２３の再生ガスとして利用される。各経路のプロセス値を表１に示す。
Figure 2010025513
第３形態例で示した窒素製造装置を使用し、原料空気流量を１００、製品窒素ガス圧力を０．４０ＭＰａ、製品窒素ガス中の許容酸素濃度を０．１ｐｐｍとしたときの各経路におけるプロセス値をシミュレーションした。
圧力０．６６ＭＰａの原料空気を、圧力０．６４ＭＰａの第１精留塔１１、圧力０．４１ＭＰａの第２精留塔１２及び圧力０．４３ＭＰａの第３精留塔１３で各分離工程及び各間接熱交換器１４，１５，１６で各間接熱交換工程をそれぞれ行うことにより、流量６４、圧力０．４０ＭＰａ、酸素濃度０．１ｐｐｍの製品窒素ガスが回収される。また、流量３６、圧力０．１３ＭＰａ、酸素濃度５８％の第５酸素富化ガス流体は、熱回収された後に精製器２３の再生ガスとして利用される。各経路のプロセス値を表２に示す。
Figure 2010025513
また、図５に示す前記特許文献１に記載された窒素製造装置（比較例１）、図６に示す前記特許文献２に記載された窒素製造装置（比較例２）、図７に示す複式精留プロセスを窒素製造用として膨張タービンで膨張させる流体を廃ガスの一部とした窒素製造装置（比較例３）、図８に示す複式精留プロセスを窒素製造用として膨張タービンで膨張させる流体を原料空気の一部とした窒素製造装置（比較例４）のそれぞれにおいて、製品窒素ガス圧力を０．８０ＭＰａ、０．６０ＭＰａ及び０．４０ＭＰａ許容酸素濃度を０．１ｐｐｍとしたときの動力原単位及び原料空気圧力を算出した。
図５に示す窒素製造装置は、精留塔を２塔備えた二塔型であって、第１精留塔１０１、第２精留塔１０２、第１凝縮器１０３、第２凝縮器１０４、膨張タービン１０５、主熱交換器１０６、製品窒素圧縮機１０７を備えている。
空気圧縮機２１，空気予冷器２２，精製器２３を経て主熱交換器１０６で冷却された原料空気は、第１精留塔１０１の下部に導入されて低温蒸留され、塔上部の第１窒素ガスと塔下部の第１酸素富化液化流体とに分離する。第１精留塔１０１からそれぞれ導出された前記第１窒素ガスと前記第１酸素富化液化流体とは、第１凝縮器１０３で間接熱交換することにより、第１窒素ガスが凝縮液化して第１液化窒素になると同時に第１酸素富化液化流体が蒸発ガス化して第１酸素富化ガス流体になる。第１液化窒素は第１精留塔１０１の上部に導入され、第１精留塔１０１の還流液となる。
前記第１酸素富化ガス流体の一部は、第２精留塔１０２の下部に導入されて低温蒸留され、塔上部の第２窒素ガスと塔下部の第２酸素富化液化流体とに分離する。第２精留塔１０２からそれぞれ導出された前記第２窒素ガスと前記第２酸素富化液化流体とは、第２凝縮器１０４で間接熱交換することにより、第２窒素ガスが凝縮液化して第２液化窒素になると同時に第２酸素富化液化流体が蒸発ガス化して第２酸素富化ガス流体になる。
第１精留塔１０１から導出された前記第１窒素ガスの一部は、主熱交換器１０６で熱回収された後に第１製品窒素ガスとして経路１０８に導出される。また、第２精留塔１０２から導出された前記第２窒素ガスの一部も、主熱交換器１０６で熱回収された後に第２製品窒素ガスとして経路１０９に導出され、製品窒素圧縮機１０７で前記第１製品窒素ガスと同じ圧力に昇圧される。経路１０８の第１製品窒素ガスと製品窒素圧縮機１０７で昇圧された第２製品窒素ガスとが合流し、製品窒素ガス(GN)として採取される。
前記第１酸素富化ガス流体の残部は、主熱交換器１０６で一部熱回収された後、膨張タービン１０５に導入され、膨張タービン１０５で膨張することによって装置の運転に必要な寒冷を発生する。また、前記第２酸素富化ガス流体は、膨張後の第１酸素富化ガス流体と合流して主熱交換器１０６で熱回収された後、廃ガス(WG)として導出される。
図６に示す窒素製造装置は、精留塔を３塔備えた三塔型であって、第１精留塔１１１，第２精留塔１１２、第３精留塔１１３、第１凝縮器１１４，第２凝縮器１１５、第３凝縮器１１６、膨張タービン１１７、主熱交換器１１８、製品窒素圧縮機１１９を備えている。
空気圧縮機２１，空気予冷器２２，精製器２３を経て主熱交換器１１８で冷却された原料空気は、第１精留塔１１１の下部に導入されて低温蒸留され、塔上部の第１窒素ガスと塔下部の第１酸素富化液化流体とに分離する。第１精留塔１１１の上部から導出された前記第１窒素ガスは３つの経路に分岐し、第１の経路に分岐した第１窒素ガスは、主熱交換器１１８で熱回収された後、第１製品窒素ガスとして経路１２０に導出される。
第１精留塔１１１から導出された前記第１酸素富化液化流体は、減圧後に第２精留塔１１２の上部に導入されて低温蒸留され、前記第１酸素富化液化流体よりも酸素組成が低い第２原料空気が塔上部に分離し、前記第１酸素富化液化流体よりも酸素組成が高い第２酸素富化液化流体が塔下部に分離する。第２酸素富化液化流体の一部は、第２の経路に分岐した第１窒素ガスと第１凝縮器１１４で間接熱交換を行い、蒸発ガス化して第２精留塔１１２の上昇ガスとなる。また、第１窒素ガスは液化して第１精留塔１１１の上部に導入され、第１精留塔１１１の還流液となる。
第２精留塔１１２から導出された前記第２原料空気は、第３精留塔１１３の下部に導入されて低温蒸留され、塔上部の第２窒素ガスと塔下部の第３酸素富化液化流体とに分離する。第３精留塔１１３から導出された前記第２窒素ガスの一部は、前記主熱交換器１１８で熱回収された後、第２製品窒素ガスとして経路１２１に導出され、製品窒素圧縮機１１９で前記第１製品窒素ガスと同じ圧力に昇圧される。経路１２０の第１製品窒素ガスと製品窒素圧縮機１１９で昇圧された第２製品窒素ガスとが合流し、製品窒素ガス(GN)として採取される。
第３精留塔１１３から導出された前記第３酸素富化液化流体は、減圧後に第２凝縮器１１５に導入され、前記第２窒素ガスの残部と間接熱交換を行い、第３酸素富化液化流体が蒸発ガス化して第２酸素富化ガス流体になるとともに、第２窒素ガスが液化して第２液化窒素になる。この第２液化窒素は、第３精留塔１１３の上部に導入され、第３精留塔１３の還流液となる。
前記第２酸素富化液化流体の残部は、第２精留塔１１２から導出されて第３凝縮器１１６に導入され、第３の経路に分岐した前記第１窒素ガスの残部と間接熱交換を行い、第２酸素富化液化流体が蒸発ガス化して第３酸素富化ガス流体になるとともに、第１窒素ガスが液化して第３液化窒素になる。この第３液化窒素は、前記第１凝縮器１１４で液化した前記第１液化窒素に合流し、第１精留塔１１１の上部に還流液として導入される。
前記第３酸素富化ガス流体は、主熱交換器１１８で一部熱回収された後、膨張タービン１１７に導入され、膨張タービン１１７で膨張することによって装置の運転に必要な寒冷を発生する。膨張後の第３酸素富化ガス流体は、前記第２酸素富化ガス流体と合流して主熱交換器１１８に導入され、熱回収され後に廃ガス(WG)として導出される。
図７に示す複式精留プロセスからなる窒素製造装置は、第１精留塔（高圧塔）１３１，第２精留塔（低圧塔）１３２及び主凝縮蒸発器１３３を有する複式精留塔と、膨張する流体として廃ガスを使用した膨張タービン１３４、主熱交換器１３５、過冷器１３６、製品窒素圧縮機１３７を備えている。
空気圧縮機２１，空気予冷器２２，精製器２３を経て主熱交換器１３５に導入された原料空気は、第１精留塔１３１の下部に導入されて低温蒸留され、塔上部の第１窒素ガスと塔下部の第１酸素富化液化流体とに分離する。第１酸素富化液化流体は、過冷器１３６で冷却された後、減圧されて第２精留塔１３２の中部に導入されて低温蒸留され、塔上部の第２窒素ガスと塔下部の第２酸素富化液化流体とに分離する。
前記第１窒素ガスは、一部が主凝縮蒸発器１３３に導入され、前記第２酸素富化液化流体を蒸発ガス化させるとともに凝縮液化して液化窒素となり、その一部が第２精留塔１３２の上部に還流液として導入され、残部は第１精留塔１３１の上部に還流液として導入される。主凝縮蒸発器１３３で蒸発ガス化した酸素富化ガス流体の一部は、第２精留塔１４２の上昇ガスとなる。
酸素富化ガス流体の残部は、主熱交換器１３５で一部熱回収された後、膨張タービン１３４に導入され、膨張タービン１３４で膨張することによって装置の運転に必要な寒冷を発生する。膨張後の酸素富化ガス流体は、主熱交換器１３５で熱回収された後、廃ガス(WG)として導出される。
前記第１精留塔１３１の上部から導出された第１窒素ガスの残部は、主熱交換器１３５で熱回収された後、第１製品窒素ガスとして経路１３８に導出される。また、前記第２精留塔１３２の上部から導出された第２窒素ガスは、過冷器１３６及び主熱交換器１３５で熱回収された後、第２製品窒素ガスとして経路１３９に導出され、製品窒素圧縮機１３７で前記第１製品窒素ガスと同じ圧力に昇圧される。経路１３８の第１製品窒素ガスと製品窒素圧縮機１３７で昇圧された第２製品窒素ガスとが合流し、製品窒素ガス(GN)として採取される。
図８に示す複式精留プロセスからなる窒素製造装置は、第１精留塔（高圧塔）１４１，第２精留塔（低圧塔）１４２及び主凝縮蒸発器１４３を有する複式精留塔と、膨張する流体として原料空気の一部を使用した膨張タービン１４４、主熱交換器１４５、過冷器１４６、製品窒素圧縮機１４７を備えている。
空気圧縮機２１，空気予冷器２２，精製器２３を経て主熱交換器１４５に導入された原料空気は、一部が主熱交換器１４５の中間で分岐して膨張タービン１４４に導入され、膨張して装置の運転に必要な寒冷を発生した後に第２精留塔１４２の中部に導入される。残りの大部分の原料空気は、第１精留塔１４１の下部に導入されて低温蒸留され、塔上部の第１窒素ガスと塔下部の第１酸素富化液化流体とに分離する。第１酸素富化液化流体は、過冷器１４６で冷却された後、減圧されて第２精留塔１４２の中部に導入され、膨張後の前記原料空気の一部と共に低温蒸留され、塔上部の第２窒素ガスと塔下部の第２酸素富化液化流体とに分離する。
前記第１窒素ガスは、一部が主凝縮蒸発器１４３に導入され、前記第２酸素富化液化流体を蒸発ガス化させるとともに凝縮液化して液化窒素となり、その一部が第２精留塔１４２の上部に還流液として導入され、残部は第１精留塔１４１の上部に還流液として導入される。主凝縮蒸発器１４３で蒸発ガス化した酸素富化ガス流体の一部は、第２精留塔１４２の上昇ガスとなる。酸素富化ガス流体の残部は、主熱交換器１４５で熱回収された後、廃ガス(WG)として導出される。
前記第１精留塔１４１の上部から導出された第１窒素ガスの残部は、主熱交換器１４５で熱回収された後、第１製品窒素ガスとして経路１４８に導出される。また、前記第２精留塔１４２の上部から導出された第２窒素ガスは、過冷器１４６及び主熱交換器１４５で熱回収された後、第２製品窒素ガスとして経路１４９に導出され、製品窒素圧縮機１４７で前記第１製品窒素ガスと同じ圧力に昇圧される。経路１４８の第１製品窒素ガスと製品窒素圧縮機１４７で昇圧された第２製品窒素ガスとが合流し、製品窒素ガス(GN)として採取される。
表３に、各実施例及び各比較例における動力原単位を示すとともに、括弧内にそれぞれ原料空気圧力を示す。動力原単位の数値は、実施例１で製品窒素ガスを０．８０ＭＰａで採取したときの動力原単位を１００とした相対値である。
Figure 2010025513
表３において、比較例１の窒素製造装置では圧力が０．６０ＭＰａ及び０．４０ＭＰａの製品窒素ガスを製造すること、実施例１、比較例２及び比較例３の窒素製造装置では圧力が０．４０ＭＰａの製品窒素ガスを製造することは、プロセス上、共に成立しなかった。
また、製品窒素圧力が０．６０ＭＰａ以下の場合には、本実施例１，２の窒素製造装置は、比較例２〜４の窒素製造装置に比べて、各圧力の製品窒素ガスを製造する際のいずれにおいても動力原単位を大幅に低減できることがわかる。
さらに、いずれの場合でも、本実施例１，２における原料空気圧力が各比較例に比べて高くなっているため、精製器（２３）として一般的な吸着式精製器を用いる場合は、原料空気圧力が高いことから精製器を小さくすることができ、吸着剤量も少なくすることができるため、装置コストの点でも有利であり、必要な再生ガス量も少なくすることができる。特に、比較例４の窒素製造装置で０．４０ＭＰａの製品窒素ガスを製造する際は、原料空気圧力がかなり低くなるため、精製器が大型化して吸着剤量が大幅に増加することになり、装置コストが上昇するだけでなく、再生ガスを確保するために製品窒素ガス量が犠牲になるおそれもある。
また、両実施例では、窒素圧縮機を設ける必要はないが、各比較例では、製品窒素圧力に見合った圧力で運転される精留塔から製品窒素ガスを導出するとともに、低圧で運転される精留塔からも低圧の窒素ガスを導出し、この低圧窒素ガスを昇圧して前記製品窒素ガスに合流させるようにしているため、空気圧縮機とは別に窒素圧縮機を設ける必要もある。
本発明の窒素製造方法を実施可能な窒素製造装置の第１形態例を示す系統図である。 本発明の窒素製造方法を実施可能な窒素製造装置の第２形態例を示す系統図である。 本発明の窒素製造方法を実施可能な窒素製造装置の第３形態例を示す系統図である。 本発明の窒素製造方法を実施可能な窒素製造装置の第４形態例を示す系統図である。 比較例１として使用した窒素製造装置の系統図である。 比較例２として使用した窒素製造装置の系統図である。 比較例３として使用した窒素製造装置の系統図である。 比較例４として使用した窒素製造装置の系統図である。
符号の説明
１１…第１精留塔、１２…第２精留塔、１３…第３精留塔、１４…第１間接熱交換器、１５…第２間接熱交換器、１６…第３間接熱交換器、１７…膨張タービン、１８…保冷外槽、１９…主熱交換器、２１…空気圧縮機、２２…空気予冷器、２３…精製器、２８，３４，４３，５１…減圧弁、４１…製品回収経路、ＡＩＲ…原料空気、ＧＮ…製品窒素ガス、ＷＧ…廃ガス

Claims (6)

  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、冷却した原料空気と後述の第４酸素富化液化流体とを間接熱交換させて原料空気の一部を凝縮液化して気液二相空気を得ると同時に第４酸素富化液化流体を蒸発ガス化して第４酸素富化ガス流体を得る第１間接熱交換工程と、前記気液二相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酸素富化液化流体を減圧後に低温蒸留して第２窒素ガスと第２酸素富化液化流体とに分離する第２分離工程と、前記第２酸素富化液化流体と前記第１窒素ガス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２酸素富化液化流体の一部を液状態のまま抜き出した第３酸素富化液化流体を低温蒸留して第３酸素富化ガス流体と第４酸素富化液化流体とに分離する第３分離工程と、前記第４酸素富化液化流体の一部を液状態のまま第５酸素富化液化流体として抜き出し、減圧後に前記第２窒素ガスと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減圧後の第５酸素富化液化流体を蒸発ガス化して第５酸素富化ガス流体を得る第３間接熱交換工程と、前記第２窒素ガスの一部を熱回収後に製品窒素ガスとして採取する製品回収工程とを含むことを特徴とする窒素製造方法。
  2. 前記第５酸素富化ガス流体を膨張タービンに導入して膨張させる寒冷発生工程を含むことを特徴とする請求項１の窒素製造方法。
  3. 前記原料空気の一部を膨張タービンに導入して膨張させる寒冷発生工程を含むことを特徴とする請求項１の窒素製造方法。
  4. 系外から液化ガスを供給して装置の運転に必要な寒冷を補う液化ガス注入工程を含むことを特徴とする請求項１の窒素製造方法。
  5. 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、冷却した原料空気と後述の第４酸素富化液化流体とを間接熱交換させて原料空気の一部を凝縮液化して気液二相空気を得ると同時に第４酸素富化液化流体を蒸発ガス化して第４酸素富化ガス流体を得る第１間接熱交換器と、前記気液二相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精留塔と、前記第１酸素富化液化流体を減圧後に低温蒸留して第２窒素ガスと第２酸素富化液化流体とに分離する第２精留塔と、前記第２酸素富化液化流体と前記第１窒素ガス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間接熱交換器と、前記第２酸素富化液化流体の一部を前記第２精留塔の底部から液状態のまま抜き出した第３酸素富化液化流体を低温蒸留して第３酸素富化ガス流体と第４酸素富化液化流体とに分離する第３精留塔と、前記第４酸素富化液化流体の一部を前記第３精留塔の底部から液状態のまま抜き出した第５酸素富化液化流体を減圧後に前記第２窒素ガスと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減圧後の第５酸素富化液化流体を蒸発ガス化して第５酸素富化ガス流体を得る第３間接熱交換器と、前記第２窒素ガスの一部を熱回収後に製品窒素ガスとして採取する製品回収経路とを含むことを特徴とする窒素製造装置。
  6. 前記第２精留塔と前記第３精留塔は、前記第２精留塔の下部に前記第３精留塔が一体化されていることを特徴とする請求項５の窒素製造装置。
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