JP3476526B2 - 窒素ガス製造装置 - Google Patents

窒素ガス製造装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、窒素ガスを加圧状態
で得ることができる窒素ガス製造装置に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】従来から、酸素ガスおよび窒素ガスは、
空気分離装置を用い、窒素と酸素の沸点の差を利用し両
者を分離することにより製造されている。この種の典型
的な空気分離装置は、図４に示すように、原料空気吸入
管１から原料空気を吸入し、これを空気圧縮器２で圧縮
し、パイプ３を経て第１および第２の熱交換器４，５を
経由して冷却し、さらに、パイプ７を経由し、精留塔８
の下部塔８′内に、液化点近くまで冷却した状態で導入
するようになっている。この下部塔８′内においては、
空気の精留が行われ、酸素に富んだ液体空気が下部塔
８′の底部に溜まり、窒素は気体の状態で上方に移行
し、下部塔８′の塔頂からパイプ１０によって導出され
る。導出された窒素ガスは、第２および第１の熱交換器
５，４で熱交換し、常温近傍の製品窒素ガスとなり、パ
イプ３３から導出される。下部塔８′の塔頂から導出さ
れる窒素ガスの一部は、パイプ１７を経て上部塔８″の
凝縮器１６内に導入され、ここで液化され液体窒素とな
ってパイプ１８から、下部塔８′内に流下しその還流液
となる。上部塔８″には、下部塔８′の底部から酸素に
富んだ液体空気が、膨脹弁１２′付きのパイプ１２によ
って導入される。上部塔８″では液体空気の精留が行わ
れ、液体酸素９が底部に溜まり、窒素に富んだ排ガスが
塔頂からパイプ２１で導出される。この導出された排ガ
スは、第２の熱交換器５を経由し、パイプ２４ならびに
弁２５を経て膨脹タービン２６に入り、ここで断熱膨脹
して装置に必要な寒冷を発生し、ついでパイプ２９を経
て第２および第１の熱交換器５，４に導入され、ここで
寒冷を原料空気に付与し、それ自身はパイプ３１から大
気中に放出される。パイプ２９に設けられた弁３２は、
上部塔８″内の液面により、膨脹タービン２６の系路２
１に対する排ガスの供給量を制御する。液体酸素は、上
部塔８″の底部から、パイプ１０′で導出され、第２お
よび第１の熱交換器５，４を経て気化し、酸素ガスとな
り、ついで加圧ポンプＰで加圧され、加圧状態の製品酸
素ガスとなり、需要に供される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】この種の空気分離装置
において、製品ガスを加圧状態で得る必要がある場合、
製品として取り出されたガスを気体の状態で加圧ポンプ
により加圧しなければならない。しかしながら、上記ガ
スを気体の状態で加圧するためには、かなりのエネルギ
ーを必要とし、コスト高になるという難点がある。ま
た、上記装置では、通常、運転中の寒冷バランスが適正
に保たれるようコントロールされているため、予定外の
需要増大に応えるために単位時間当たりの原料空気供給
量を増大させても、膨脹タービンの発生寒冷量増大には
時間遅れを生じるため、製品ガスの純度低下を招くとい
う問題もある。
【０００４】この発明はこのような事情に鑑みなされた
もので、加圧状態の窒素ガスを低コストで効率よく製造
することができ、しかも予定外の需要増大に対しても充
分に応えることのできる、優れた窒素ガス製造装置の提
供をその目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、この発明の窒素ガス製造装置は、原料空気を圧縮す
る空気圧縮手段と、上記圧縮空気を超低温に冷却する熱
交換手段と、上記超低温に冷却された圧縮空気を導入し
液化分離により酸素を液化し窒素を気体の状態で保持す
る下部精留塔と、上記下部精留塔の底部から取り出され
た液体空気を塔内に導入し液化分離により酸素を液化し
底部に貯留する上部精留塔と、上記上部精留塔内に設け
られ上記下部精留塔内の気体窒素の一部を導入し凝縮し
て液化する凝縮手段と、この凝縮手段から取り出された
液体窒素を上記下部精留塔に還流させる液体窒素還流路
と、上記液体窒素還流路を経由した液体窒素の一部を取
り出す液体窒素取出路と、上記液体窒素取出路の先端か
ら延び上記熱交換手段を経由して上記液体窒素を気化さ
せて製品窒素ガスとして取り出す窒素ガス取出路とを備
え、上記液体窒素取出路に液体窒素加圧用の加圧手段が
設けられているとともに、上記加圧手段よりも下流側の
流路が上記熱交換器を経由したのち膨脹タービンを経由
して再度上記熱交換手段を経由して寒冷を付与する構造
に形成されているという構成をとる。
【０００６】
【作用】すなわち、この発明の装置は、精留塔を上下２
塔に分け、下部精留塔（以下「下部塔」と略す）に導入
される還流液体窒素の一部を取り出し、これを液体の状
態で加圧するようにしたものである。このように、窒素
を液体の状態で加圧すると、気体の状態で加圧する場合
に比べて加圧コストを大幅に低減することができる。ま
た、この発明では、下部塔に導入される還流液体窒素の
一部を、製品窒素ガスを得るために取り出し、これを液
体の状態で加圧して熱交換器で気化させ、さらにこれを
膨脹タービンに導入し断熱膨脹させて寒冷を発生させ、
その発生寒冷を再度上記熱交換器に送り、装置の寒冷源
に用いる。したがって、製品窒素ガスについて、その加
圧エネルギーを、膨脹タービンの駆動エネルギーに援用
できることから、製品窒素ガスのコストを大幅に引き下
げることができるようになる。
【０００７】つぎに、この発明を実施例にもとづいて詳
しく説明する。
【０００８】図１はこの発明の一実施例を示している。
図において、５１は原料空気を圧縮する空気圧縮器、５
２はドレーン分離器、５３はフロン冷却器、５４は２個
一組の吸着塔である。吸着塔５４は、内部にモレキュラ
ーシーブが充填されていて、空気圧縮機５１により圧縮
された空気中のＨ2 Ｏ，ＣＯ2 ，ＣＯ等の不純分を吸着
除去する。５５は、不純分が吸着除去された圧縮空気を
送る圧縮空気供給パイプである。５６は、第１の熱交換
器であり、吸着塔５４により不純分が吸着除去された圧
縮空気が送りこまれる。５７は、第２の熱交換器であ
り、第１の熱交換器５６を経た圧縮空気が送りこまれ
る。５８は、上部精留塔（以下「上部塔」と略す）５９
と下部塔６０を備えた精留塔である。
【０００９】上記下部塔６０は、第１および第２の熱交
換器５６，５７により超低温に冷却され、パイプ５５を
経て送り込まれる圧縮空気をさらに冷却し、その一部を
液化し、液体空気６１として底部に溜め、窒素を気体状
態で上部に溜めるようになっている。上部塔５９の底部
側には、凝縮器６２が内蔵されており、下部塔６０の上
部に溜まる窒素ガスの一部が第１の還流用パイプ６３を
介して送入される。この上部塔５９内は、下部塔６０内
よりも減圧状態になっており、下部塔の底部の貯留液体
空気（Ｎ2 ５０〜７０％，Ｏ2 ３０〜５０％）６１が膨
脹弁６５付きパイプ６６で送り込まれ、気化して、上部
塔５９の内部温度を液体窒素の沸点以下の温度に冷却す
るようになっている。この冷却により、凝縮器６２内に
送り込まれた窒素ガスが液化する。この液体窒素は、第
２の還流用パイプ６４を通って下部塔６０の上部に還流
液として導入され、これが液体窒素溜め６７を経て下部
塔６０内を下方に流下し、下部塔６０の底部から上昇す
る圧縮空気と向流的に接触し、冷却してその一部を液化
するようになっている。この過程で、圧縮空気中の高沸
点成分の酸素ガスは液化されて下部塔６０の底部に溜ま
り、低沸点成分の窒素ガスが下部塔６０の上部に溜ま
る。６４ａは気液分離器である。また、９０は上記第２
の還流用パイプ６４から分岐する液体窒素取出パイプ
で、上記還流する液体窒素の一部が取り出されるように
なっている。さらに、９５は上記第２の還流用パイプ６
４に、図示していない液体窒素貯蔵タンクから液体窒素
を供給するパイプで、このパイプ９５に設けられたコン
トロールバルブ９６の開閉によって、液体窒素の供給・
供給停止が行われるようになっている。上記コントロー
ルバルブ９６の開閉制御は、上部塔５９内に溜まる液体
酸素の液面を常時検知する液面計８２から出力される電
気信号によって行われる。すなわち、原料空気の増大等
によって寒冷が不足して精留作用が不充分となり、上部
塔５９内に溜まる液体酸素量が減少傾向になり、その液
面が予め設定された高さよりも低くなると、上記コント
ロールバルブ９６が開き、寒冷液体窒素が第２の還流用
パイプ６４に補充供給され、常時液体酸素の液面が一定
に制御されて精留のバランスが保たれるようになってい
る。
【００１０】一方、上記下部塔６０の底部に溜まる液体
空気は、パイプ６６を経由して上部塔５９の上部に送り
込まれるようになっており、この上部塔５９内において
精留作用を受け、それによって液体空気中の高沸点成分
の酸素が液化して上部塔５９の底部に液体酸素７１とし
て溜まるようになっている。８０は、この酸素ガス製造
装置の起動時に、上部塔５９内に液体酸素を供給するパ
イプで、図示していない液体酸素貯蔵タンクから延びて
いる。このタンクには、当該装置でつくられた液体酸素
または他の装置でつくられタンクローリ等で輸送されて
きた液体酸素が貯蔵されている。なお、窒素ガスを含む
低沸点成分のガスは、上部塔５９の塔頂からパイプ７０
によって排ガスとして導出され、第２および第１の熱交
換器５７，５６を経由し、大気中に放出されるようにな
っている。また、上部塔５９の底部に溜まった液体酸素
７１は、液体酸素導出パイプ７２により導出され、第１
の加圧ポンプ７３によって加圧され、加圧された状態で
熱交換器５７，５６内に導入されて気化し、製品酸素ガ
スとなって製品酸素ガス取出パイプ７４から取り出され
るようになっている。
【００１１】また、前記液体窒素取出パイプ９０から取
り出された還流液体窒素の一部は、第２の加圧ポンプ９
１によって加圧され、加圧された状態で第２の熱交換器
５７内に導入されて気化し、窒素ガスとなって製品窒素
ガス取出パイプ９２に導入されるようになっている。こ
の製品窒素ガス取出パイプ９２には、注目すべきこと
に、膨脹タービン９３が設けられており、窒素ガスの加
圧圧力を駆動源として寒冷を発生するようになってい
る。そして、上記窒素ガスは、再び第２の熱交換器５７
に入り、さらに第１の熱交換器５６に入って原料空気と
熱交換して発生寒冷を原料空気に付与し、それ自身は常
温となり、製品窒素ガス取出パイプ９２の先端から取り
出されるようになっている。
【００１２】なお、上記製品酸素ガス取出パイプ７４の
先端側および上記窒素ガス取出パイプ９２の先端側に
は、それぞれフィン式熱交換器１００が設けられてい
る。これは、万一熱交換機５６，５７における寒冷バラ
ンスが崩れた場合に、超低温の液体酸素あるいは液体窒
素が取り出されることを防止するためのものである。
【００１３】この装置を用い、例えばつぎのようにして
製品酸素ガスおよび製品窒素ガスを製造することができ
る。すなわち、まず空気圧縮器５１により原料空気を圧
縮し、その原料空気を、ドレーン分離器５２，フロン冷
却器５３，不純分除去用の吸着塔５４，第１および第２
の熱交換器５６，５７を経由させ、超低温の状態に冷却
して精留塔５８の下部塔６０内に送入する。
【００１４】上記下部塔６０内では、この送入圧縮空気
を、液体窒素溜め６７から溢流する液体窒素と向流的に
接触させて冷却し、一部を液化して下部塔の底部に液体
空気６１として溜める。この過程において窒素と酸素の
沸点の差（酸素の沸点−１８３℃，窒素の沸点−１９６
℃）により圧縮空気中の高沸点成分である酸素が液化
し、窒素が気体のまま残る。そして、下部塔６０の天井
部に溜まった窒素ガスの一部は、第１の還流用パイプ６
３を経由して上部塔５９に設けられた凝縮器６２内に導
入され、ここで上部塔５９の底部に溜まった液体酸素に
より冷却されて液化され、第２の還流用パイプ６４を経
由し、下部塔６０の還流液溜め６７に導出される。
【００１５】上記上部塔５９には、下部塔６０の底部の
貯留液体空気が、パイプ６６，膨脹弁６５を経由し、断
熱膨脹状態で送入され、精留作用を受ける。そして、高
沸点成分である酸素が液化して底部に溜まり、窒素ガス
を含む低沸点成分ガスが排ガスとして上部塔５９の塔頂
からパイプ７０を経由して送出される。この送出された
排ガスは、第２および第１の熱交換器５７，５６を経由
し、常温近くに昇温され大気中に放出される。上部塔５
９の底部に溜まった液体酸素７１は、パイプ７２を経由
し、液体の状態で第１の加圧ポンプ７３で加圧されたの
ち第２の熱交換器５７に導入され、さらに第１の熱交換
器５６に入って、両熱交換器５７，５６において原料空
気と熱交換し、それ自身は常温の酸素ガスとなり、製品
酸素ガス取出パイプ７４から取り出される。また、液体
窒素取出パイプ９０によって取り出された還流する液体
窒素の一部は、液体の状態で第２の加圧ポンプ９１で加
圧されたのち第２の熱交換器５７に導入され、ここで熱
交換してガス化し、製品窒素ガス取出パイプ９２に導入
される。そして、導入された窒素ガスは、この製品窒素
ガス取出パイプ９２に設けられた膨脹タービン９３によ
り断熱膨脹して寒冷を発生し、再び第２の熱交換器５７
に入り、さらに第１の熱交換器５６に入って、両熱交換
器５７，５６において原料空気と熱交換し、それ自身は
常温の窒素ガスとなり、製品窒素ガス取出パイプ９２の
先端から取り出される。
【００１６】なお、上記膨脹タービン９３は定量運転さ
れるが、原料空気供給量の増大等に伴って寒冷不足が生
じ、上部塔５９内に溜まる液体酸素量が減ってその液面
が予め設定された高さよりも低くなると、液面計８２か
らの出力信号を受けてコントロールバルブ９６が開き、
寒冷液体窒素が第２の還流用パイプ６４内に供給されて
装置内の寒冷が補充される。これにより、精留のバラン
スが保たれて液体酸素の生成量が増大し、液面が回復す
る。液面が回復すると、上記コントロールバルブ９６は
閉じる。
【００１７】したがって、この装置によれば、液体酸素
および液体窒素を液体のまま加圧しているため、低コス
トで加圧製品酸素ガスおよび加圧製品窒素を得ることが
できる。しかも、上記加圧液体窒素を気化させたのち膨
脹タービン９３に導入するため、膨脹タービン９３に入
る前のガス圧が高くなり、それによって断熱膨脹の効率
を大幅に向上させることができる。この場合、製品窒素
ガスを加圧するための加圧ポンプ９１の加圧圧力を援用
できることから、エネルギーの有効活用を実現でき、製
品加圧ガスのコストをかなり引き下げることができるよ
うになる。また、製品酸素ガスまたは製品窒素ガスの需
要量が急激に増加し、それに応じて原料空気供給量を増
大させたときに、上記膨脹タービン９３によっては、発
生寒冷を迅速に増加させることができないが、このと
き、上記液面計８２からの出力信号によりコントロール
バルブ９６が作動し、寒冷源である液体窒素を迅速に下
部塔６０に供給し、寒冷不足を解消することができる。
したがって、製品ガスの純度低下を招くことがない。
【００１８】なお、上記実施例では、液体窒素貯蔵タン
クから液体窒素を補充供給するパイプ９５を、第２の還
流パイプ６４に接続しているが、必ずしもこの位置に接
続する必要はない。下部塔６０内の寒冷源である液体窒
素を補充すれば足りるのであり、例えば下部塔６０内の
液体窒素溜め６７に導入するようにしてもよいし、直接
下部塔６９上部に導入するようにしてもよい。
【００１９】また、上記実施例では、液面計８２によっ
て上部塔５９内の液体酸素の液面高さを読み取るように
しているが、液面計８２を下部塔６０側に設け、下部塔
６０内に溜まる液体空気の液面高さを読み取るようにし
ても差し支えはない。
【００２０】さらに、上記実施例では、液体窒素の一部
を、第２の還流用パイプ６４から取り出すようにしてい
るが、液体窒素溜め６７から取り出すようにしても差し
支えはない。
【００２１】図２は、この発明の他の実施例の装置を示
している。この装置は、液体酸素貯蔵タンクから延びる
パイプ８０に設けられたコントロールバルブ８１が、切
り換えスイッチ９７の切り換え動作を受けて、前記コン
トロールバルブ９６に代わって、前記液面計８２からの
出力信号で制御されるようになっている。すなわち、通
常は、寒冷不足の場合には、前記のように、液体窒素貯
蔵タンクから寒冷液体窒素の補充供給が行われるが、何
らかのトラブルあるいはメインテナンス上の都合から、
液体窒素貯蔵タンクからの補充供給ができない場合に、
上記切り換えスイッチ９７の切り換えによって、液体酸
素貯蔵タンクから寒冷液体酸素が補充供給され、上部塔
５９内の液体酸素液面が一定に戻されるようになってい
る。したがって、この装置によれば、より一層、寒冷バ
ランスが一定に保たれ製品ガスの純度が保たれるように
なる。
【００２２】ただし、上記図１および図２の実施例で
は、液体窒素貯蔵タンクもしくは液体酸素貯蔵タンクか
ら寒冷液体窒素または寒冷液体酸素を補充して上部塔５
９内の液体酸素の液面を一定に保つようにしているが、
これらの寒冷補充手段は必ずしも必要ではない。
【００２３】図３は、この発明のさらに他の実施例の装
置を示している。この装置は、第１の加圧ポンプ７３を
密封ケーシング７３ｃに収容し、このケーシング７３ｃ
内に液体酸素を導入し加圧してパイプ７２に導出するよ
うにしている。そして、上記ケーシング７３ｃの上部か
ら気化して生成した酸素ガスを上部塔５９に戻す戻しパ
イプ２３ｂが設けられている。また、第２の加圧ポンプ
９１を密封ケーシング９１ｃに収容し、このケーシング
９１ｃ内に液体窒素を導入し加圧してパイプ９０に導出
するようにしている。そして、上記ケーシング９１ｃの
上部から気化して生成した窒素ガスを下部塔６０に戻す
戻しパイプ９１ｂが設けられている。それ以外の部分は
図１の装置と同じである。このように構成することによ
り、ガス気泡を吸い込んで第１の加圧ポンプ７３および
第２の加圧ポンプ９１が空転する（ガス噛み現象）とい
う事態の発生が防止されるようになる。
【００２４】
【発明の効果】以上のように、この発明の窒素ガス製造
装置は、精留塔を上下２塔に分け、下部塔に導入される
還流液体窒素の一部を取り出し、これを液体の状態で加
圧するようにしたものである。このように、窒素を液体
の状態で加圧すると、気体の状態で加圧する場合に比べ
て加圧コストを大幅に低減することができる。また、こ
の発明では、下部塔に導入される還流液体窒素の一部
を、製品窒素ガスを得るために取り出し、これを液体の
状態で加圧して熱交換器で気化させ、さらにこれを膨脹
タービンに導入し断熱膨脹させて寒冷を発生させ、その
発生寒冷を再度上記熱交換器に送り、装置の寒冷源に用
いる。したがって、製品窒素ガスについて、その加圧エ
ネルギーを、膨脹タービンの駆動エネルギーに援用でき
ることから、製品窒素ガスのコストを大幅に引き下げる
ことができるようになる。これらの利点から、この発明
の装置は、鉄鋼製造分野、化学工業分野、火力発電分野
等、広い分野で有効に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例の構成図である。
【図２】この発明の他の実施例の構成図である。
【図３】この発明のさらに他の実施例の構成図である。
【図４】従来例の構成図である。
【符号の説明】
５１ 空気圧縮器 ５６，５７ 熱交換器 ５８ 精留塔 ５９ 上部塔 ６０ 下部塔 ６１ 液体空気 ７１ 液体酸素 ７２ 液体酸素取出パイプ ７３ 第１の加圧ポンプ ７４ 製品酸素ガス取出パイプ ９０ 液体窒素取出パイプ ９１ 第２の加圧ポンプ ９２ 製品窒素ガス取出パイプ ９３ 膨脹タービン

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 原料空気を圧縮する空気圧縮手段と、上
    記圧縮空気を超低温に冷却する熱交換手段と、上記超低
    温に冷却された圧縮空気を導入し液化分離により酸素を
    液化し窒素を気体の状態で保持する下部精留塔と、上記
    下部精留塔の底部から取り出された液体空気を塔内に導
    入し液化分離により酸素を液化し底部に貯留する上部精
    留塔と、上記上部精留塔内に設けられ上記下部精留塔内
    の気体窒素の一部を導入し凝縮して液化する凝縮手段
    と、この凝縮手段から取り出された液体窒素を上記下部
    精留塔に還流させる液体窒素還流路と、上記液体窒素還
    流路を経由した液体窒素の一部を取り出す液体窒素取出
    路と、上記液体窒素取出路の先端から延び上記熱交換手
    段を経由して上記液体窒素を気化させて製品窒素ガスと
    して取り出す窒素ガス取出路とを備え、上記液体窒素取
    出路に液体窒素加圧用の加圧手段が設けられているとと
    もに、上記加圧手段よりも下流側の流路が上記熱交換器
    を経由したのち膨脹タービンを経由して再度上記熱交換
    手段を経由して寒冷を付与する構造に形成されているこ
    とを特徴とする窒素ガス製造装置。
  2. 【請求項２】 上記下部精留塔に液体窒素を供給する液
    体窒素貯蔵手段と、上記上部精留塔または下部精留塔の
    液面が一定になるよう上記液体窒素貯蔵手段からの供給
    液体窒素量を制御する制御手段が設けられている請求項
    １記載の窒素ガス製造装置。
  3. 【請求項３】 上記下部精留塔に液体窒素を供給する液
    体窒素貯蔵手段と、上記上部精留塔に液体酸素を供給す
    る液体酸素貯蔵手段と、上記液体窒素貯蔵手段からの供
    給液体窒素量を制御する制御手段と、上記液体酸素貯蔵
    手段からの供給液体酸素量を制御する制御手段とが設け
    られ、上記上部精留塔または上記下部精留塔の液面が一
    定になるよう上記いずれか一方の制御手段が作動するよ
    うになっている請求項１記載の窒素ガス製造装置。
  4. 【請求項４】 上記膨脹タービンが、酸素に対する反応
    性の小さい材料で構成された膨脹タービンである請求項
    １記載の窒素ガス製造装置。
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