JP2020076514A - 窒素ガス製造装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】外部から供給される低温液化ガスの寒冷を利用しながら、効率的に窒素ガスを製造する窒素ガス製造装置を提供する。【解決手段】深冷分離法により窒素ガスを製造する装置であって、原料空気を冷却する主熱交換器１と、冷却された前記原料空気を精留する精留塔２と、前記精留塔の上に配置される１または２以上の凝縮器３と、前記１または２以上の凝縮器３の低温側から導出される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低温圧縮機８と、前記主熱交換器１に冷熱を供給するための冷熱源である低温液化ガスを貯留する低温液化ガス貯槽１１と、を有し、前記低温圧縮機８から導出される圧縮リサイクル空気は、前記主熱交換器１の中間部に導入され、前記低温液化ガス貯槽１１から導出される低温液化ガスは、前記主熱交換器１の低温端に導入される、窒素ガス製造装置。【選択図】図１
Description
本発明は、低温液化ガス（たとえば液化アルゴン）を蒸発させて得られる寒冷を利用し、効率的に窒素ガスを製造する、窒素ガス製造装置に関する。
半導体製造工場等に代表される、大量の高純度窒素を使用する消費地においては、深冷分離方式の窒素発生装置が消費地内に設置されることが多い。
また、半導体製造工場では近年窒素のみならずアルゴンガスの需要も増加している。通常、アルゴンガスは消費地から離れた場所に設置される空気分離装置により製造され、液化されたのちに、消費地にタンクローリ等により輸送され、消費地に設置された蒸発器等でガス化されて供給されている。
また、半導体製造工場では近年窒素のみならずアルゴンガスの需要も増加している。通常、アルゴンガスは消費地から離れた場所に設置される空気分離装置により製造され、液化されたのちに、消費地にタンクローリ等により輸送され、消費地に設置された蒸発器等でガス化されて供給されている。
深冷分離方式の窒素ガス製造装置においては、プロセスの熱バランスを維持するために大量の寒冷を発生させる必要がある。
このため、たとえば特許文献１では、窒素ガス製造装置において精留塔のプロセス流体に外部から液体窒素を供給し、その寒冷を用いてプロセスの熱バランスを確保する方法が開示されている。
しかし、この方法では窒素以外の成分を精留塔に供給することはできない。精留塔で精留された窒素と、外部から供給された窒素以外の成分とが混合されてしまい、製品として窒素ガスが供給できなくなるためである。
このため、たとえば特許文献１では、窒素ガス製造装置において精留塔のプロセス流体に外部から液体窒素を供給し、その寒冷を用いてプロセスの熱バランスを確保する方法が開示されている。
しかし、この方法では窒素以外の成分を精留塔に供給することはできない。精留塔で精留された窒素と、外部から供給された窒素以外の成分とが混合されてしまい、製品として窒素ガスが供給できなくなるためである。
特許文献２では、外部から供給された液体アルゴンを主熱交換器に導入して蒸発させ、その寒冷を利用して他の空気分離液化ガス（液体窒素および液体酸素）を製造する方法が開示されている。この方法は、製品液化ガスの製造には効率的であるが、製品ガス製造においては必ずしも効率的とは言えない。なぜなら、液化アルゴンを主熱交換器で蒸発させる際に、高圧原料空気の液化を伴うためである。原料空気が液化すると、原料空気の蒸気流が減少するため、精留塔へ供給される蒸気流が減少する。このため、精留塔における製品ガスの収率が低下するためである。
上記実情に鑑みて、本発明では、外部から供給される低温液化ガスの寒冷を利用しながら、効率的に窒素ガスを製造する窒素ガス製造装置を提供することを目的とする。
（発明１）
本発明に係る窒素ガス製造装置は、
深冷分離法により窒素ガスを製造する装置であって、
原料空気を冷却する主熱交換器と、
冷却された前記原料空気を精留する精留塔と、
前記精留塔の上に配置される１または２以上の凝縮器と、
前記１または２以上の凝縮器の低温側から導出される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低温圧縮機と、
前記主熱交換器に冷熱を供給するための冷熱源である低温液化ガスを貯留する低温液化ガス貯槽と、を有する。
前記低温圧縮機から導出される圧縮リサイクル空気は、前記主熱交換器の中間部に導入され、前記低温液化ガス貯槽から導出される低温液化ガスは、前記主熱交換器の低温端に導入される。
本発明に係る窒素ガス製造装置は、
深冷分離法により窒素ガスを製造する装置であって、
原料空気を冷却する主熱交換器と、
冷却された前記原料空気を精留する精留塔と、
前記精留塔の上に配置される１または２以上の凝縮器と、
前記１または２以上の凝縮器の低温側から導出される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低温圧縮機と、
前記主熱交換器に冷熱を供給するための冷熱源である低温液化ガスを貯留する低温液化ガス貯槽と、を有する。
前記低温圧縮機から導出される圧縮リサイクル空気は、前記主熱交換器の中間部に導入され、前記低温液化ガス貯槽から導出される低温液化ガスは、前記主熱交換器の低温端に導入される。
凝縮器の低温側から導出されるガス（リサイクル空気）の温度は、低温圧縮機により断熱圧縮されることにより上昇し、低温液化ガス（たとえば液化窒素または液化アルゴン）の沸点よりも高い温度になる。このため、主熱交換器に導入された低温液化ガスの蒸発に、断熱圧縮されたリサイクル空気の熱を利用することが可能となる。蒸発された低温液化ガスは、主熱交換器の温端から導出され、製品ガスとして消費地において使用される。
このように断熱圧縮されたリサイクル空気の熱を利用することにより、低温液化ガスの蒸発のために主熱交換器に導入される原料空気の量を低減させることが可能となる。
さらに、断熱圧縮されたリサイクル空気は、主熱交換器内で冷却され、再度精留塔に導入されることから、精留塔内の蒸気流を増加させることが可能となる。精留塔内の蒸気流の増加により、製品窒素の回収量を増加させることができる。
このように断熱圧縮されたリサイクル空気の熱を利用することにより、低温液化ガスの蒸発のために主熱交換器に導入される原料空気の量を低減させることが可能となる。
さらに、断熱圧縮されたリサイクル空気は、主熱交換器内で冷却され、再度精留塔に導入されることから、精留塔内の蒸気流を増加させることが可能となる。精留塔内の蒸気流の増加により、製品窒素の回収量を増加させることができる。
主熱交換器の低温側に導入された低温液化ガスと、製品窒素ガスおよび凝縮器の低温側から導出されるガスは、原料空気の冷却にも利用される。
（発明２）
本発明に係る窒素ガス製造装置は、
前記１または２以上の凝縮器の低温側から導出されるガスの少なくとも一部を、前記主熱交換器を経由させた後に膨張させるための膨張タービンをさらに有し、前記膨張タービンの軸端は、前記低温圧縮機の軸端に接続されてもよい。
本発明に係る窒素ガス製造装置は、
前記１または２以上の凝縮器の低温側から導出されるガスの少なくとも一部を、前記主熱交換器を経由させた後に膨張させるための膨張タービンをさらに有し、前記膨張タービンの軸端は、前記低温圧縮機の軸端に接続されてもよい。
膨張タービンの軸端と、低温圧縮機の軸端を接続することにより、膨張タービンの動力を低温圧縮機の動力に使用することが可能となり、よりエネルギー効率を高めることが可能となる。
ここで、凝縮器の低温側から導出されるガスの少なくとも一部は、低温圧縮機へ導入されたのちに主熱交換器の中間部に導入され、前記主熱交換器において冷却されたのちに精留塔へ導入される。
凝縮器の低温端から導出されるガスのうち、低温圧縮機へ導入されないガスは、主熱交換器の冷端側に導入され。主熱交換器内部でのその寒冷を放出した後に膨張タービンへ導入され、膨張冷却される。膨張タービンにおいて膨張冷却されたガスは、再度主熱交換器に導入され、原料空気および／またはリサイクル空気との熱交換を行って寒冷を放出した後に、主熱交換器の温端側から排出される。
ここで、凝縮器の低温側から導出されるガスの少なくとも一部は、低温圧縮機へ導入されたのちに主熱交換器の中間部に導入され、前記主熱交換器において冷却されたのちに精留塔へ導入される。
凝縮器の低温端から導出されるガスのうち、低温圧縮機へ導入されないガスは、主熱交換器の冷端側に導入され。主熱交換器内部でのその寒冷を放出した後に膨張タービンへ導入され、膨張冷却される。膨張タービンにおいて膨張冷却されたガスは、再度主熱交換器に導入され、原料空気および／またはリサイクル空気との熱交換を行って寒冷を放出した後に、主熱交換器の温端側から排出される。
（発明３）
本発明に係る窒素ガス製造装置は、凝縮器が、前記精留塔の上部に配置される第２凝縮器と、前記第２凝縮器の上部または側部に配置される第１凝縮器とから構成されることもできる。
第１凝縮器の低温側から導出されるガスは低温圧縮機に導入され、第２凝縮器の低温側から導出されるガスは主熱交換器を経由させたのちに前記膨張タービンに導入される。
本発明に係る窒素ガス製造装置は、凝縮器が、前記精留塔の上部に配置される第２凝縮器と、前記第２凝縮器の上部または側部に配置される第１凝縮器とから構成されることもできる。
第１凝縮器の低温側から導出されるガスは低温圧縮機に導入され、第２凝縮器の低温側から導出されるガスは主熱交換器を経由させたのちに前記膨張タービンに導入される。
第１凝縮器と第２凝縮器の低温側は異なる圧力で運用され、それぞれの圧力は低温側の酸素富化液の組成と、各々の凝縮器の温度で決まる。精留塔の底部から供給される酸素富化液は、まず第１凝縮器に供給され、濃縮されてから第２凝縮器に供給されるので、第１凝縮器の低温側の液体の窒素成分含有率は第２凝縮器のそれよりも高く、結果的に第１凝縮器の低温側圧力は第２凝縮器低温側圧力よりも高くなり、凝縮器が１個の場合における低温側圧力よりも高くなる。第１凝縮器の低温側圧力が上昇することは、低温圧縮機における動力を低減するために効果的である。
（発明４）
本発明に係る窒素ガス製造装置において、低温液化ガスは沸点がー１００℃以下の流体であれば特に限定されず、たとえば液化アルゴンであってもよい。
低温液化ガスが液化アルゴンである場合には、液化アルゴンは主熱交換器において蒸発され、アルゴンガスとして消費地に供給することが可能となる。
本発明に係る窒素ガス製造装置において、低温液化ガスは沸点がー１００℃以下の流体であれば特に限定されず、たとえば液化アルゴンであってもよい。
低温液化ガスが液化アルゴンである場合には、液化アルゴンは主熱交換器において蒸発され、アルゴンガスとして消費地に供給することが可能となる。
以上に述べた窒素ガス製造装置によれば、低温液化ガスを蒸発させて得られる寒冷を利用しながら、断熱圧縮されたリサイクル空気の寒冷を、原料空気の冷却および低温液化ガスの蒸発に利用することにより効率的に窒素ガスを製造することが可能となる。
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。
（実施形態１）
実施形態１の窒素ガス製造装置について、図１を参照し説明する。
実施形態１に係る窒素ガス製造装置１００は、深冷分離法により原料となる空気から窒素ガスを製造する装置である。
窒素ガス製造装置１００は、原料空気を冷却する主熱交換器１と、冷却された原料空気を精留する精留塔２と、精留塔２の上に配置される凝縮器３と、凝縮器３の低温側から導出される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低温圧縮機８と、主熱交換器１に冷熱を供給するための冷熱源である低温液化ガスを貯留する低温液化ガス貯槽１１と、を有する。
実施例１では１つの凝縮器３のみを示すが、凝縮器を複数備えることもできる。
実施形態１の窒素ガス製造装置について、図１を参照し説明する。
実施形態１に係る窒素ガス製造装置１００は、深冷分離法により原料となる空気から窒素ガスを製造する装置である。
窒素ガス製造装置１００は、原料空気を冷却する主熱交換器１と、冷却された原料空気を精留する精留塔２と、精留塔２の上に配置される凝縮器３と、凝縮器３の低温側から導出される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低温圧縮機８と、主熱交換器１に冷熱を供給するための冷熱源である低温液化ガスを貯留する低温液化ガス貯槽１１と、を有する。
実施例１では１つの凝縮器３のみを示すが、凝縮器を複数備えることもできる。
窒素ガス製造装置１００は深冷分離により窒素ガスを製造する装置であり、同時に低温液化ガス貯槽１１に貯留された低温液化ガスを主熱交換器１で蒸発させることによりガスとして供給する装置である。
主熱交換器１は原料空気を冷却する熱交換器である。主熱交換器１に導入される前に、原料空気（例えば原料空気量は１０００Ｎｍ３／ｈである）は圧縮機（不図示）により圧縮され、所定の不純物を除去されている。所定の不純物とは、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。
主熱交換器１内部では、原料空気と、後述する製品の窒素ガス、リサイクル空気、および低温液化ガスとが熱交換を行う。これにより、原料空気はその液化点近くまで冷却される。原料空気の温度は例えば、主熱交換器１導入時には２０℃であり、例えば―１７０℃からー１５５℃にまで主熱交換器１で冷却される。
主熱交換器１内部では、原料空気と、後述する製品の窒素ガス、リサイクル空気、および低温液化ガスとが熱交換を行う。これにより、原料空気はその液化点近くまで冷却される。原料空気の温度は例えば、主熱交換器１導入時には２０℃であり、例えば―１７０℃からー１５５℃にまで主熱交換器１で冷却される。
主熱交換器１で冷却された原料空気は、精留塔２に導入され、精留される。
精留塔２の理論段数は３０段から８０段であり、例えば５０段とすることができる。精留塔２の運転圧力範囲は例えば７ｂａｒＡ〜１５ｂａｒＡであり、運転圧力は例えば９ｂａｒＡとすることができる。
精留塔２の理論段数は３０段から８０段であり、例えば５０段とすることができる。精留塔２の運転圧力範囲は例えば７ｂａｒＡ〜１５ｂａｒＡであり、運転圧力は例えば９ｂａｒＡとすることができる。
精留塔２の上部には凝縮器３が配置されている。凝縮器３は凝縮器容器４の内部に格納されている。凝縮器容器の上部（すなわち凝縮器の低温側）からは凝縮器ガスが導出され、その一部はリサイクル空気として再度精留塔２に導入される。
精留塔２の塔頂部から製品窒素ガスが取り出される。
精留塔２の塔頂部から製品窒素ガスが取り出される。
精留塔２の塔頂部に貯留されたガスと精留塔２の塔底部に貯留された液とを熱交換するように凝縮器３が配置される。
精留塔２では、原料空気が酸素富化液と窒素ガスに分離され、酸素富化液は精留塔２の塔底部に貯留される。貯留された酸素富化液は、酸素富化液導入配管２９により凝縮器容器４に導入される。
凝縮器３では、精留塔２で分離された窒素ガスが凝縮され、液体窒素となり、精留塔２を下降しながら精留塔２の底部から上昇するガス成分と接触する。
精留塔２では、原料空気が酸素富化液と窒素ガスに分離され、酸素富化液は精留塔２の塔底部に貯留される。貯留された酸素富化液は、酸素富化液導入配管２９により凝縮器容器４に導入される。
凝縮器３では、精留塔２で分離された窒素ガスが凝縮され、液体窒素となり、精留塔２を下降しながら精留塔２の底部から上昇するガス成分と接触する。
凝縮器容器４の上方から導出される凝縮器ガスは凝縮器ガス導出配管２３を経由し、その一部（たとえば、凝縮器ガスの４０％以上８０％以下の範囲であってもよい）はリサイクル空気として配管２４を経由し、低温圧縮機８へ導入される。低温圧縮機８から導出されたリサイクル空気は、主熱交換器１の中間部へと導入され、主熱交換器１内部で冷却されたのちに精留塔２へと導入される。
リサイクル空気の精留塔２への導入位置３２は、原料空気の導入位置３１と同じか、または下方である。
低温圧縮機８へ導入されない凝縮器ガスは、排ガスライン２５により主熱交換器１の冷端側へと導入され、主熱交換器１内部で寒冷を放出したのちに、主熱交換器１の温端側から排出され、廃棄される。
リサイクル空気の精留塔２への導入位置３２は、原料空気の導入位置３１と同じか、または下方である。
低温圧縮機８へ導入されない凝縮器ガスは、排ガスライン２５により主熱交換器１の冷端側へと導入され、主熱交換器１内部で寒冷を放出したのちに、主熱交換器１の温端側から排出され、廃棄される。
低温液化ガス貯槽１１は、低温液化ガスを貯留するものであればよく、たとえば低温液化ガスを輸送するタンクローリであってもよく、低温液化ガスを貯留するタンクであってもよい。
低温液化ガス貯槽１１に貯留された液化ガスは、低温液化ガスライン３３により主熱交換器１に導入され、原料空気およびリサイクル空気との熱交換を行って寒冷を放出することにより気化する。気化した低温液化ガスは、ガス状態で消費地において使用される。
低温液化ガス貯槽１１に貯留された液化ガスは、低温液化ガスライン３３により主熱交換器１に導入され、原料空気およびリサイクル空気との熱交換を行って寒冷を放出することにより気化する。気化した低温液化ガスは、ガス状態で消費地において使用される。
ここで、低温液化ガスは沸点がー１００℃以下の流体であればよく、たとえば液化窒素または液化アルゴンとしてもよい。液化アルゴンを使用する場合、液化アルゴンは、主熱交換器１の内部で気化して、ガス状のアルゴンとして消費地に供給される。
液化アルゴンの液化温度は、大気圧下では−１８６℃である。一方、主熱交換器１に導入されるリサイクル空気および原料空気の温度は液化アルゴンの液化温度よりも高い。このため、リサイクル空気と、液化アルゴンの熱交換によってアルゴンが気化される。これにより、液化アルゴンの気化に利用される原料空気の熱量を低減させることができ、原料空気の過度な液化を抑制することが可能となる。
液化アルゴンの液化温度は、大気圧下では−１８６℃である。一方、主熱交換器１に導入されるリサイクル空気および原料空気の温度は液化アルゴンの液化温度よりも高い。このため、リサイクル空気と、液化アルゴンの熱交換によってアルゴンが気化される。これにより、液化アルゴンの気化に利用される原料空気の熱量を低減させることができ、原料空気の過度な液化を抑制することが可能となる。
以上のように、低温液化ガスの寒冷は、原料空気の冷却と、リサイクル空気の冷却とのいずれにも使用される。したがって、低温液化ガスの主熱交換器１への導入量が多い場合に、原料空気が過剰に冷却、液化され、精留塔２内部の蒸気流が減少し、精留により得られる窒素ガスの回収率が低下する現象を抑制することができる。
また、蒸発器ガスの一部をリサイクル空気として再度精留塔２において精留することにより、窒素の回収率を高めることが可能となる。
また、蒸発器ガスの一部をリサイクル空気として再度精留塔２において精留することにより、窒素の回収率を高めることが可能となる。
（実施形態２）
実施形態２の窒素ガス製造装置１０１について、図２を参照し説明する。実施形態１の窒素ガス製造装置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。
実施形態２の窒素ガス製造装置１０１について、図２を参照し説明する。実施形態１の窒素ガス製造装置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。
実施形態２において、凝縮器ガスのうち、低温圧縮機８に導入されない部分は、排ガスライン２５を通じて主熱交換器１に導入されたのちに、膨張タービン７へと導入される。排ガスは主熱交換器１においてリサイクル空気および低温液化ガスとの熱交換を行うことにより、寒冷を放出する。その後、膨張タービン７に導入され、膨張、冷却されて、再度主熱交換器１に導入される。ここで再度リサイクル空気および低温液化ガスとの熱交換を行う。
ここで、膨張タービン７の軸端と、低温圧縮機８の軸端とが接続されることにより、凝縮器ガスが膨張タービンにおいて膨張することによって得られる動力を、低温圧縮機の動力として使用する。これにより、窒素ガス製造装置のエネルギー効率を高めることが可能となる。
ここで、膨張タービン７の軸端と、低温圧縮機８の軸端とが接続されることにより、凝縮器ガスが膨張タービンにおいて膨張することによって得られる動力を、低温圧縮機の動力として使用する。これにより、窒素ガス製造装置のエネルギー効率を高めることが可能となる。
（実施形態３）
実施形態３の窒素ガス製造装置１０２について、図３を参照し説明する。実施形態１、２の窒素ガス製造装置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。
実施形態３の窒素ガス製造装置１０２について、図３を参照し説明する。実施形態１、２の窒素ガス製造装置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。
実施形態３の窒素ガス製造装置１０２は、凝縮器が、精留塔２の上部に配置される第２凝縮器３２およびそれを格納する第２凝縮器容器４２と、前記第２凝縮器３２の上部に配置される第一凝縮器３１およびそれを格納する第１凝縮器容器４１とから構成される。
第１凝縮器３１の低温側（すなわち、第１凝縮器容器４１の上部）から導出されるガスは、低温圧縮機８に導入される。
第２凝縮器３２の低温側（すなわち、第２凝縮器容器４２の上部）から導出されるガスは、膨張タービン７に導入される。
別実施形態として、第２凝縮器の側部に第1凝縮器が配置されるように構成されてもよい。
第１凝縮器３１の低温側（すなわち、第１凝縮器容器４１の上部）から導出されるガスは、低温圧縮機８に導入される。
第２凝縮器３２の低温側（すなわち、第２凝縮器容器４２の上部）から導出されるガスは、膨張タービン７に導入される。
別実施形態として、第２凝縮器の側部に第1凝縮器が配置されるように構成されてもよい。
第１凝縮器と第２凝縮器の低温側は異なる圧力で運用され、それぞれの圧力は低温側の酸素富化液の組成と、各々の凝縮器の温度で決まる。精留塔の底部から供給される酸素富化液は、まず第１凝縮器に供給され、濃縮されてから第２凝縮器に供給されるので、第１凝縮器の低温側の液体の窒素成分含有率は第２凝縮器のそれよりも高く、結果的に第１凝縮器の低温側圧力は第２凝縮器低温側圧力よりも高くなり、凝縮器が１個の場合における低温側圧力よりも高くなる。第１凝縮器の低温側圧力が上昇することは、低温圧縮機における動力を低減するために効果的である。
（実施例１）
実施形態１にかかる窒素製造装置１０２（図３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８．４ｂａｒＡを有する、水分と炭酸ガスが除かれた空気を１２２４ｋｇ／ｈｒ使用した場合の、各部における圧力（ｂａｒＡ）、温度（℃）、流量（ｋｇ／ｈ）、主熱交換器１における熱収支等をシミュレーションにより実証した。
実施形態１にかかる窒素製造装置１０２（図３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８．４ｂａｒＡを有する、水分と炭酸ガスが除かれた空気を１２２４ｋｇ／ｈｒ使用した場合の、各部における圧力（ｂａｒＡ）、温度（℃）、流量（ｋｇ／ｈ）、主熱交換器１における熱収支等をシミュレーションにより実証した。
検討の結果、水分、炭酸ガスが除去された圧縮原料空気は、８．４ｂａｒＡの圧力、４０℃の温度の圧力で主熱交喚器１へ導入される。主熱交喚器１で冷却された原料空気は、―１６６℃の温度で精留塔２へ導入され、精留される。精留塔２の運転圧力は８．２ｂａｒＡである。
精留塔２の底部に貯留された、酸素富化液は、減圧された後に温度−１７４℃で第一凝縮器３１に導入され、精留塔２の頂部のガスと熱交換されることによって、蒸発される。蒸発された凝縮器ガス（蒸発された酸素富化液および凝縮されなかった精留塔２の頂部由来のガスを含む）は、低温圧縮機８によって圧縮され、主熱交喚器１で冷却された後、精留塔２に供給される。第一凝縮器３１によって濃縮された酸素富化液は、減圧された後に温度―１７５℃で第二凝縮器３２に導入され、精留塔２の頂部のガスと熱交換されることによって、蒸発される。第二凝縮器３２で蒸発された凝縮器ガスは廃ガスとして主熱交換器１で寒冷を放出した後、膨張タービン７によって膨張され、再度主熱交喚器１で寒冷を放出した後に排出される。膨張タービン７は低温圧縮機８と連結され、ガスの膨張によって生じた動力は低温圧縮機８の動力として利用される。
低温液化ガス貯槽１１に貯留される液化アルゴンは、１４．６ｋｇ／ｈ、−１８０℃、９．４ｂａｒＡで主熱交喚器１の冷端側に導入され、蒸発され、加温された後に主熱交換器１の温端側からアルゴンガスとして供給される。製品窒素ガスは、７２７ｋｇ／ｈの流量で精留塔２の頂部から−１７３℃の温度で導出され、主熱交喚器１で寒冷を放出した後に回収される。
液化ガスの寒冷を活用することによって、膨張タービン７によって寒冷を発生させる必要がなくなることから、連結される低温圧縮機８の処理量を増大させ、精留塔２に供給し得る総原料空気量が増大させることが可能となり、窒素回収量を増大させることが可能となった。
また、図４に主熱交換器１における予熱複合線と受熱複合線を示す。図４に実線で示す予熱複合線は、高温流体（すなわち、主熱交換器１に導入される原料空気やリサイクル空気）の、熱交換器内流路の任意の点において計測された各流体の加重平均温度と熱流量の総和を示す。図４に点線で示す受熱複合線は低温流体（すなわち、主熱交換器に導入される液体アルゴンや廃ガス）の、熱交換器内流路の任意の点において計測された各流体の加重平均温度と熱流量の総和を示す。予熱複合線と受熱複合線とは、全温度領域において近接しており、特に主熱交喚器の温端部において計測された高温、低温流体の各々の加重平均温度と熱流量の総和を示す点において、ピンチポイントと同程度の近接が見られることから、有効に寒冷を活用していることがわかる。
精留塔２の底部に貯留された、酸素富化液は、減圧された後に温度−１７４℃で第一凝縮器３１に導入され、精留塔２の頂部のガスと熱交換されることによって、蒸発される。蒸発された凝縮器ガス（蒸発された酸素富化液および凝縮されなかった精留塔２の頂部由来のガスを含む）は、低温圧縮機８によって圧縮され、主熱交喚器１で冷却された後、精留塔２に供給される。第一凝縮器３１によって濃縮された酸素富化液は、減圧された後に温度―１７５℃で第二凝縮器３２に導入され、精留塔２の頂部のガスと熱交換されることによって、蒸発される。第二凝縮器３２で蒸発された凝縮器ガスは廃ガスとして主熱交換器１で寒冷を放出した後、膨張タービン７によって膨張され、再度主熱交喚器１で寒冷を放出した後に排出される。膨張タービン７は低温圧縮機８と連結され、ガスの膨張によって生じた動力は低温圧縮機８の動力として利用される。
低温液化ガス貯槽１１に貯留される液化アルゴンは、１４．６ｋｇ／ｈ、−１８０℃、９．４ｂａｒＡで主熱交喚器１の冷端側に導入され、蒸発され、加温された後に主熱交換器１の温端側からアルゴンガスとして供給される。製品窒素ガスは、７２７ｋｇ／ｈの流量で精留塔２の頂部から−１７３℃の温度で導出され、主熱交喚器１で寒冷を放出した後に回収される。
液化ガスの寒冷を活用することによって、膨張タービン７によって寒冷を発生させる必要がなくなることから、連結される低温圧縮機８の処理量を増大させ、精留塔２に供給し得る総原料空気量が増大させることが可能となり、窒素回収量を増大させることが可能となった。
また、図４に主熱交換器１における予熱複合線と受熱複合線を示す。図４に実線で示す予熱複合線は、高温流体（すなわち、主熱交換器１に導入される原料空気やリサイクル空気）の、熱交換器内流路の任意の点において計測された各流体の加重平均温度と熱流量の総和を示す。図４に点線で示す受熱複合線は低温流体（すなわち、主熱交換器に導入される液体アルゴンや廃ガス）の、熱交換器内流路の任意の点において計測された各流体の加重平均温度と熱流量の総和を示す。予熱複合線と受熱複合線とは、全温度領域において近接しており、特に主熱交喚器の温端部において計測された高温、低温流体の各々の加重平均温度と熱流量の総和を示す点において、ピンチポイントと同程度の近接が見られることから、有効に寒冷を活用していることがわかる。
以上のような構成により、低温液化ガスの寒冷を活用することによって窒素回収量を増大することができ、高いエネルギー効率で窒素ガスを得ることができた。
（比較例１）図５にたとえば特許文献１に開示されている窒素ガス製造装置の概略図を示し、実施例１と同条件の場合における各部の圧力（ｂａｒＡ）、温度（℃）、流量（ｋｇ／ｈ）、主熱交換器１における熱収支等をシミュレーションにより実証した。
検討の結果、水分、炭酸ガスが除去された圧縮原料空気は、８．４ｂａｒＡの圧力、４０℃の温度の圧力で主熱交喚器１へ導入される。主熱交喚器１で冷却された原料空気は、―１６８℃の温度で精留塔２へ導入され、精留される。精留塔２の運転圧力は８．２ｂａｒＡである。
精留塔２の底部に貯留された、酸素富化液は、減圧された後に温度−１７７℃で凝縮器３に導入され、精留塔２の頂部のガスと熱交換されることによって、蒸発される。蒸発された凝縮器ガスは、主熱交喚器１で寒冷を放出した後に排出される。
液化窒素貯槽１２に貯留される液体窒素は、２２．５ｋｇ／ｈ、−１７３℃、８．２ｂａｒＡで精留塔２の頂部に導入される。製品窒素ガスは、５４３ｋｇ／ｈの流量で精留塔２の頂部から−１７３℃の温度で導出され、主熱交喚器１で寒冷を放出した後に回収される。
。この構成によれば、外部から液体窒素を供給して、プロセスバランスを維持することができる。
しかし、図６は、図５に示すような構成において、主熱交喚器１で低温液化ガスを蒸発させた場合の熱複合線を示すが、全熱流量領域に渡って広い流体間温度差が見られ、実施例１と比べて有効に寒冷を活用しているとは言えず、また製品窒素ガス量も減少しているため、非効率的である。
検討の結果、水分、炭酸ガスが除去された圧縮原料空気は、８．４ｂａｒＡの圧力、４０℃の温度の圧力で主熱交喚器１へ導入される。主熱交喚器１で冷却された原料空気は、―１６８℃の温度で精留塔２へ導入され、精留される。精留塔２の運転圧力は８．２ｂａｒＡである。
精留塔２の底部に貯留された、酸素富化液は、減圧された後に温度−１７７℃で凝縮器３に導入され、精留塔２の頂部のガスと熱交換されることによって、蒸発される。蒸発された凝縮器ガスは、主熱交喚器１で寒冷を放出した後に排出される。
液化窒素貯槽１２に貯留される液体窒素は、２２．５ｋｇ／ｈ、−１７３℃、８．２ｂａｒＡで精留塔２の頂部に導入される。製品窒素ガスは、５４３ｋｇ／ｈの流量で精留塔２の頂部から−１７３℃の温度で導出され、主熱交喚器１で寒冷を放出した後に回収される。
。この構成によれば、外部から液体窒素を供給して、プロセスバランスを維持することができる。
しかし、図６は、図５に示すような構成において、主熱交喚器１で低温液化ガスを蒸発させた場合の熱複合線を示すが、全熱流量領域に渡って広い流体間温度差が見られ、実施例１と比べて有効に寒冷を活用しているとは言えず、また製品窒素ガス量も減少しているため、非効率的である。
（比較例２）図７に比較例１の窒素ガス製造装置において、外部から液体窒素を供給する代わりに、液体アルゴンを主熱交喚器に供給する場合の概略図を示し、実施例と同条件の場合における各部の圧力（ｂａｒＡ）、温度（℃）、流量（ｋｇ／ｈ）、主熱交換器１における熱収支等をシミュレーションにより実証した。
検討の結果、水分、炭酸ガスが除去された圧縮原料空気は、８．４ｂａｒＡの圧力、４０℃の温度の圧力で主熱交喚器１へ導入される。主熱交喚器１で冷却された原料空気は、―１６８℃の温度で精留塔２へ導入され、精留される。精留塔２の運転圧力は９．２ｂａｒＡである。
精留塔２の底部に貯留された、酸素富化液は、減圧された後に温度−１７７℃で凝縮器３に導入され、精留塔２の頂部のガスと熱交換されることによって、蒸発される。蒸発された凝縮器ガスは、主熱交喚器１で寒冷を放出した後に排出される。
低温液化ガス貯槽１１に貯留される液化アルゴンは、３５．７ｋｇ／ｈ、−１８０℃、９．４ｂａｒＡで精留塔２の頂部に導入される。製品窒素ガスは、５１３ｋｇ／ｈの流量で精留塔２の頂部から−１７３℃の温度で導出され、主熱交喚器１で寒冷を放出した後に回収される。
この構成によれば、製品窒素および製品アルゴンを供給しつつ、プロセスバランスを維持することができる。しかし、図８は、図７示すような構成において、主熱交喚器１で低温液化ガスを蒸発させた場合の熱複合線を示すが、特に主熱交喚器の温端部において計測された高温、低温流体の各々の加重平均温度と熱流量の総和を示す点において、ピンチポイント（−１７０℃付近）より大きな乖離が見られ、比較例１と比べて有効に寒冷を利用しているとは言えず、また製品窒素ガス量も減少しているため、非効率的である。
精留塔２の底部に貯留された、酸素富化液は、減圧された後に温度−１７７℃で凝縮器３に導入され、精留塔２の頂部のガスと熱交換されることによって、蒸発される。蒸発された凝縮器ガスは、主熱交喚器１で寒冷を放出した後に排出される。
低温液化ガス貯槽１１に貯留される液化アルゴンは、３５．７ｋｇ／ｈ、−１８０℃、９．４ｂａｒＡで精留塔２の頂部に導入される。製品窒素ガスは、５１３ｋｇ／ｈの流量で精留塔２の頂部から−１７３℃の温度で導出され、主熱交喚器１で寒冷を放出した後に回収される。
この構成によれば、製品窒素および製品アルゴンを供給しつつ、プロセスバランスを維持することができる。しかし、図８は、図７示すような構成において、主熱交喚器１で低温液化ガスを蒸発させた場合の熱複合線を示すが、特に主熱交喚器の温端部において計測された高温、低温流体の各々の加重平均温度と熱流量の総和を示す点において、ピンチポイント（−１７０℃付近）より大きな乖離が見られ、比較例１と比べて有効に寒冷を利用しているとは言えず、また製品窒素ガス量も減少しているため、非効率的である。
図９に実施例１、比較例１、および比較例２について、主熱交喚器の温度と、主熱交喚器の任意の温度における高温流体と低温流体のそれぞれの加重平均温度差を示す。図の横軸は主熱交喚器の温度を示し、縦軸は高温流体と低温流体のそれぞれの加重平均温度差を示す。図９の比較によると、明らかに実施例１は比較例１または比較例２よりも広い温度領域に渡って加重平均温度差が小さく、特に主熱交喚器温端温度において見られる高温流体と低温流体の加重平均温度差は実施例１では比較例に対して約５℃小さくなっているように顕著な改善が見られ、熱効率が改善されていると言うことができる。
１． 主熱交換器
２． 精留塔
３． 凝縮器
４． 凝縮器容器
７． 膨張タービン
８． 低温圧縮機
１１．低温液化ガス貯槽
２３． 凝縮器ガス導出配管
２５． 排ガスライン
２９． 酸素富化液導入配管
３３． 低温液化ガスライン
２． 精留塔
３． 凝縮器
４． 凝縮器容器
７． 膨張タービン
８． 低温圧縮機
１１．低温液化ガス貯槽
２３． 凝縮器ガス導出配管
２５． 排ガスライン
２９． 酸素富化液導入配管
３３． 低温液化ガスライン
Claims (4)
- 深冷分離法により窒素ガスを製造する装置であって、
原料空気を冷却する主熱交換器と、
冷却された前記原料空気を精留する精留塔と、
前記精留塔の上部に配置される１または２以上の凝縮器と、
前記１または２以上の凝縮器の低温側から導出される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低温圧縮機と、
前記主熱交換器に冷熱を供給するための冷熱源である低温液化ガスを貯留する低温液化ガス貯槽と、を有し、
前記低温圧縮機から導出される圧縮リサイクル空気は、前記主熱交換器の中間部に導入され、
前記低温液化ガス貯槽から導出される低温液化ガスは、前記主熱交換器の低温端に導入される、窒素ガス製造装置。 - 前記１または２以上の凝縮器の低温側から導出されるガスの少なくとも一部を、前記主熱交換器を経由させた後に膨張させるための膨張タービンをさらに有し、
前記膨張タービンの軸端は、前記低温圧縮機の軸端に接続される、請求項１に記載の窒素ガス製造装置。 - 前記凝縮器が、前記精留塔の上部に配置される第２凝縮器と、前記第２凝縮器の上部または側部に配置される第１凝縮器とから構成され、
前記第１凝縮器の低温側から導出されるガスは、前記低温圧縮機に導入され、
前記第２凝縮器の低温側から導出されるガスは、前記主熱交換器を経由させたのちに前記膨張タービンに導入される、
請求項１または請求項２に記載の窒素ガス製造装置。 - 前記低温液化ガスは、液化アルゴンである、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の窒素ガス製造装置。
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