JP2621839B2

JP2621839B2 - 窒素製造装置

Info

Publication number: JP2621839B2
Application number: JP62197557A
Authority: JP
Inventors: 隆義浅海; 正幸田中
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1987-08-06
Filing date: 1987-08-06
Publication date: 1997-06-18
Anticipated expiration: 2012-06-18
Also published as: JPS6441785A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、原料空気から窒素（N₂）を深冷分離する
窒素製造装置に関するものである。

（従来技術）従来、原料空気からN₂を分離する窒素製造装置として
は、例えば第２図に示すようなものが知られている。こ
れは、原料空気にプロセス進行用のエネルギーを与える
空気圧縮機１と、モレキュラーシーブなどの吸着材を有
する一対の前処理用吸着塔2a,2bと、主熱交換器３と、
この主熱交換器での熱交換に利用する寒冷を発生させる
膨脹タービン４と、N₂成分とO₂成分との沸点の差を利用
してN₂成分を精製分離する精溜塔５とから基本構成され
たものである。

この従来の窒素製造装置において、原料空気はエアフ
ィルタ11を通り空気圧縮機１によって加圧（例えば6kg/
cm²Ｇ程度）されるとともに空気冷却器12によって予冷
される。この原料空気は前処理用吸着塔2a,2bのいずれ
か一方に通すことにより原料空気中の水分（H₂O）およ
び炭酸ガス（CO₂）などの不純成分が吸着材に吸着さ
れ、残りのN₂と酸素（O₂）との混合ガスである原料空気
は供給管61を通して主熱交換器３に供給される。上記原
料空気は主熱交換器３の経路31に通されて液化点近くま
で冷却されるとともに、供給管62を通して精溜塔５の塔
底51に導入される。

この精溜塔５では、液体空気を減圧蒸発させることに
よってN₂成分が精製分離される。分離されたN₂成分は頂
部凝縮器52で液化されて還流液となり、製品として液体
N₂を取出す場合には上記還流液の一部が抽出管63から抽
出される。それとともに上記N₂成分は回収管64を通して
主熱交換器３の経路32に導入されて原料空気を冷却する
ための寒冷源として利用され、熱交換によって昇温され
たN₂成分が回収管65を通して製品N₂ガスとして取出され
る。

一方、上記凝縮器52の蒸発側の気化ガスであるO₂リッ
チの排ガスは排出管66を通して主熱交換器３の底部に導
かれ、経路33から抽出管67を通して膨脹タービン４に導
かれる。この膨脹タービン４によって上記排ガスが断熱
膨脹され、これによって寒冷が発生する。この寒冷は供
給管68を通して主熱交換器３の経路34に供給されて原料
空気の冷却に利用され、熱交換後の排ガスは再生ガス供
給管69を通して前処理用吸着塔2a,2bの予冷用ガスとし
て直接に、または脱着再生用ガスとして加熱器７を介し
て前処理用吸着塔2a,2bに導かれる。その後、サイレン
サ８を通して大気に放出される。

上記膨脹タービン４は膨脹タービン４の羽根車と連動
するように負荷ブロワ41が設けられており、膨脹タービ
ン４の回転作動によって負荷ブロワ41は大気を吸込んで
圧縮するようにしている。これによって膨脹タービン４
の回転に負荷が作用し、膨脹タービン４に導入された排
ガスの膨脹が行われるようにしている。ところが、上記
構成の膨脹タービン４によって排ガスを膨脹させても、
その膨脹後の排ガスの圧力が大気圧以下には下がらず、
したがって断熱膨脹によって発生する寒冷には限界があ
り、それ以上増大させることはできない。

しかしながら、製品としてN₂ガスのほかに液体N₂をも
製造する場合には比較的多量の寒冷を必要とし、このた
めに原料空気の供給量や供給圧力を大きくすることによ
って膨脹タービンで発生する寒冷を増大させるようにし
て対処している。このため、動力として多大な電力の消
費を招くという問題がある。

（発明の目的）この発明は、このような従来の問題を解決するために
なされたものであり、電力消費量を低減することができ
省エネルギーを図ることができる窒素製造装置を提供す
るものである。

（発明の構成）この発明は、原料空気を冷却する主熱交換器と、液体
空気から窒素を精製分離する精溜塔と、この精溜塔から
の排ガスを断熱膨脹することにより寒冷を発生させる膨
脹タービンとを有し、この寒冷の媒体である膨脹タービ
ンの出口ガスが主熱交換器に通されて原料空気を冷却す
るように構成された窒素製造装置において、上記膨脹タ
ービンには負荷ブロワが連動するように設けられ、この
負荷ブロワは上記出口ガスの主熱交換器における経路の
出口と接続され、膨脹タービンの作動によって膨脹ター
ビンの出口ガスが負荷ブロワに吸引されるように構成さ
れているものである。

上記構成によれば、膨脹タービンの作動によって膨脹
タービンの出口ガスは負荷ブロワに吸引されて減圧され
るので、膨脹タービンの入口ガスと出口ガスとの圧力差
が従来の断熱膨脹による減圧だけの場合よりも大きくな
り、このためにその分だけ発生する寒冷は増大する。こ
れによって主熱交換器で液化される空気量も多くなるの
で、原料空気の供給量や供給圧力を大きくしなくても液
体N₂の抽出量を増加させることができる。

（実施例）第１図に示す実施例は、負荷ブロワ41の吸入対象を第
２図に示す従来の窒素製造装置のように大気を吸入させ
るようにするのではなく、膨脹タービン４の出口ガスを
吸入させるようにしたものである。

第１図において、負荷ブロワ41の吸込口と、主熱交換
器３内における膨脹タービン４の出口ガスが通る経路34
の出口とは排出管60によって接続されている。この排出
管60には、その途中から枝分れして排出管60内の余分な
排ガスをサイレンサ８に導いて大気へ放出する放出管60
1が接続されている。この放出管601には開閉弁602が設
けられ、この開閉弁602は圧力調整器（Pressure Indica
tor Controller）603によって排出管60内の圧力が一定
になるようにその弁開度が制御されるようにしている。
これによって排出管60内の排ガス流量が負荷ブロワ41の
処理容量と対応するように流量調整される。これら放出
管601と開閉弁602と圧力調整器603とによって排出管60
の流量調整手段が構成されている。

負荷ブロワ41の出口と前処理用吸着塔2a,2bとは再生
ガス供給管69aによって接続され、これによって負荷ブ
ロワ41から排出される大気圧よりも高く昇圧された排ガ
スを前処理用吸着塔2a,2bの再生ガスおよび予冷ガスと
して利用するようにしている。上記供給管69aには、負
荷ブロワ41の出口側に圧力調整器692によって開度が制
御される開閉弁691と、再生ガス冷却器９と、この再生
ガス冷却器９を迂回するバイパス693とが設けられてい
る。

上記開閉弁691の開度が調整されることによって負荷
ブロワ41に吸引された排ガスは圧縮され、これによって
膨脹タービン４の作動に必要な回転負荷が発生するよう
にしている。

再生ガス冷却器９はN₂成分の回収管65aの途中に介在
するように設けられ、上記N₂成分によって再生ガス冷却
器９を通る排ガスが冷却されるようにしている。上記N₂
成分を排ガスの冷却に有効利用することによって、省エ
ネルギーを図ることができる。またバイパス693の弁の
開閉操作によって負荷ブロワ41から排出される排ガスを
冷却したり、そのままバイパスさせたりすることができ
るようにしている。バイパスさせた排ガスは放出管694
によってサイレンサ８を介して大気に放出したり、加熱
器７に導いて加熱したりすることができるようにしてい
る。

また膨脹タービン４への入口ガスを供給する抽出管67
の途中には分岐管68aが接続し、この分岐管68aは主熱交
換器３の経路34aと接続され、この経路34aは吸着塔2a,2
bへの再生ガス供給管69と接続されている。

なお、図中671はストレーナー、10は保冷箱をそれぞ
れ示している。

上記構成の窒素製造装置によれば、精溜塔５で発生し
た低温（例えば−175℃程度）で大気圧よりも高いが比
較的低圧（例えば2.0kg/cm²Ｇ程度）の排ガスは排出管6
6を通して主熱交換器３に導かれ、この排ガスは経路33
を通ることによって原料空気と熱交換して昇温（例えば
−160℃程度）される。この排ガスは抽出管67によって
膨脹タービン４の入口ガスとして導入され、この排ガス
によって膨脹タービン４が作動される。この作動に伴っ
て負荷ブロワ41も作動されるので、膨脹タービン４の出
口ガスは主熱交換器３および排出管60を通して負荷ブロ
ワ41に吸引され、この結果、膨脹タービン４の出口ガス
は減圧される。

これによって膨脹タービン４の出口ガスは、膨脹ター
ビン４での断熱膨脹により減圧され、加えて負荷ブロワ
41での吸引により減圧されることになる。したがって膨
脹タービン４の入口ガスと出口ガスとの圧力差は、従来
の窒素製造装置における膨脹タービン４での断熱膨脹に
よる減圧のみの場合よりも大きくなる。このため上記圧
力差が大きくなった分だけ発生する寒冷も増大すること
になる。

寒冷が増大すると、主熱交換器３で原料空気から液化
される空気量が増加し、これによって精溜塔５では増加
した寒冷に相当する分だけ製品として取出す液体N₂の抽
出量を増やすことができる。このように原料空気の供給
量や供給圧力を増加させなくても、膨脹タービン４の圧
力差を大きくすることによって上記液体N₂の抽出量を増
加させることができるので、従来の電力消費量をその分
だけ低減させることができる。例えば膨脹タービン４か
ら出口ガスの供給管68における圧力を0.15kg/cm²Ｇ程度
まで低下させることにより、従来0.3kg/cm²Ｇ程度の圧
力で運転している場合と比べて電力消費量はほぼ10％低
減することができる。

また負荷ブロワ41から排出された排ガスは、前処理用
吸着塔2a,2bの加熱・再生および予冷に利用される。加
熱・再生ガスとして上記排ガスを利用するには、バイパ
ス693を通して加熱器７に導入し、この加熱器７で所定
の温度まで例えばスチームにより加温して吸着塔2a,2b
に供給すればよい。この後、吸着塔2a,2bを予冷するに
は、負荷ブロワ41で昇温した排ガスを再生ガス冷却器９
に通すことによって冷却して再生ガス供給管69bを通し
て吸着塔2a,2bに供給すればよい。

この吸着塔2a,2bの予冷工程において、負荷ブロワ41
から排出された排ガスによって１次予冷を行い、つぎに
膨脹タービン４を経由せずに排出管68aを通して主熱交
換器３の経路34aに導かれた排ガスによって２次冷却を
行うようにしてもよい。これによって加熱・再生工程で
昇温した吸着塔2a,2bの冷却を、その吸着塔2a,2bの冷却
過程の温度に応じて効率よく行うことができる。

なお上記実施例においては、加圧状態のN₂ガスなどを
製品として取出す場合について示したが、これに限ら
ず、常圧のN₂ガスなどを製品とて取出場合にも適用する
ことができる。また上記実施例のように不純成分除去を
MSなどの吸着材を用いて吸着塔2a,2bで行う場合を示し
たが、例えばリバーシング熱交換器を用いた窒素製造装
置にも適用することができる。

（発明の効果）この発明の窒素製造装置によれば、負荷ブロワで膨脹
タービンの出口ガスを吸引させることによって、膨脹タ
ービンの入口ガス出口ガスとの圧力差を従来の断熱膨脹
による減圧だけの場合よりも大きくすることができ、こ
のために膨脹タービンで発生する寒冷はその分だけ増大
させることができる。このため主熱交換器で液化される
空気量も多くなり、原料空気の供給量や供給圧力を増加
させなくても、液体N₂の抽出量を増加させることができ
るので、従来の電力消費量をその分だけ低減させること
ができ、これによって省エネルギーを図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例の説明図、第２図は従来の窒
素製造装置の説明図である。３…主熱交換器、４…膨脹タービン、５…精溜塔、34…
膨脹タービンの出口ガスの主熱交換器内の経路、41…負
荷ブロワ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】原料空気を冷却する主熱交換器と、液体空
気から窒素を精製分離する精溜塔と、この精溜塔からの
排ガスを断熱膨脹することにより寒冷を発生させる膨脹
タービンとを有し、この寒冷の媒体である膨脹タービン
の出口ガスが主熱交換器に通されて原料空気を冷却する
ように構成された窒素製造装置において、上記膨脹ター
ビンには負荷ブロワが連動するように設けられ、この負
荷ブロワは上記出口ガスの主熱交換器における経路の出
口と接続され、膨脹タービンの作動によって膨脹タービ
ンの出口ガスが負荷ブロワに吸引されるように構成され
ていることを特徴とする窒素製造装置。
【請求項２】上記負荷ブロワと主熱交換器の上記経路の
出口との間に流量調整手段が設けられていることを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の窒素製造装置。