JP4862007B2 - 液化窒素製造方法及び装置 - Google Patents

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Description

本発明は、液化窒素製造方法及び装置に関し、詳しくは、空気液化分離装置等から得られる低純度窒素や廃ガスから高純度の液化窒素を製造するための方法及び装置に関する。
工業的に窒素ガスを製造する方法として、空気を原料とした圧力変動分離（ＰＳＡ）法や、空気液化分離法が知られている。これらの方法を用いた装置の中には、製品窒素（液化窒素を含む、以下同様）が低純度である装置や、窒素成分を多く含む流体が廃ガスとして破棄されている装置もある。これらの装置が設置された場所で高純度窒素ガスの需要が生じた場合、新たに空気を原料とする高純度窒素製造装置を設置してもよいが、低純度の製品窒素や廃ガスを原料として高純度窒素ガスを製造する深冷分離装置を設置することで、既存設備を有効利用することができる（例えば、特許文献１参照。）。
上述のように、既存装置から得られる低純度の窒素や廃ガスを原料に利用した高純度窒素ガスの製造は、ユースポイントが近くにあり、パイピングなどによって製品高純度窒素ガスをガス状態のままで供給可能であることを前提としている。しかし、例えば供給調整のため、製品高純度窒素ガスを液体状態で貯蔵しておきたい場合や、その一部をローリーなどで輸送したい場合など、製品高純度窒素ガスを液化しなければならないときがある。
製品高純度窒素ガスを液化する場合には、圧縮機や熱交換器、寒冷発生装置等を備えたガス液化装置が用いられている。このガス液化装置におけるガスの液化工程では、複数の圧縮機を組み合わせた多段圧縮機によって原料のガスを高圧、例えば約３７バール（絶対圧、以下同様。）に圧縮し、圧縮したガスの一部を寒冷発生装置で断熱膨張させることにより、ガスを液化するための寒冷を得るようにしており、断熱膨張して圧力が低下したガスは、熱交換器で寒冷を回収された後、その圧力に応じて多段圧縮機の対応する圧力の圧縮段に循環させて再利用するようにしており、膨張後のガスの最も低い圧力は大気圧付近に設定され、多段圧縮機の吸入側に循環させるようにしている（例えば、特許文献２参照。）。
このように、既存装置から得られる低純度の窒素や廃ガスを原料に利用して高純度窒素ガスを製造し、さらに、製造した高純度窒素ガスをガス液化装置で液化して液化窒素を製造する場合、図５の概略系統図に示す液化窒素製造装置のように、例えば窒素濃度が９０％で圧力が略大気圧の低純度窒素ガス（又は廃ガス）ＲＮを、深冷分離装置１１に付設された多段圧縮機１２により深冷分離に必要な圧力に昇圧して深冷分離装置１１の深冷分離部１３に導入し、この深冷分離部１３で周知の深冷分離操作を行うことにより高純度窒素ガスＧＮを採取し、同時に、深冷分離操作の過程で発生するガスは、その窒素濃度に応じて、一部を廃ガス循環経路１４から循環廃ガスＣＧとして多段圧縮機１２に循環させるとともに、残部を排気経路１５から廃ガスＷＧとして系外に排出している。
また、前記深冷分離装置１１で採取した高純度窒素ガスＧＮを液化させるガス液化装置２１では、該ガス液化装置２１に付設された多段圧縮機２２にて、大気圧乃至中圧の循環高純度窒素ガスを、それぞれの圧力に応じて第１循環経路２３ａ，第２循環経路２３ｂ，第３循環経路２３ｃから多段圧縮機２２に循環させ、これらの循環高純度窒素ガスと深冷分離装置１１からの前記高純度窒素ガスＧＮとを合流させ、所定圧力に昇圧してガス液化装置２１の液化部２４に導入し、該液化部２４での液化操作によって高純度窒素ガスの一部を液化し、高純度の液化窒素ＬＮを採取している。
前記深冷分離装置１１に付設された多段圧縮機１２及びガス液化装置２１に付設された多段圧縮機２２は、昇圧するガスを、大気圧付近から７バール程度の低圧状態に昇圧する低圧段１２ａ，２２ａと、７バール程度から１０バール程度の中圧状態に昇圧する中圧段１２ｂ，２２ｂとが設けられるとともに、ガス液化装置２１の多段圧縮機２２にはガスを４０バール程度の高圧状態に昇圧するための高圧段２２ｃが設けられている。なお、前記低圧、中圧及び高圧は、本発明の対象となる方法及び装置における相対的な圧力の高低を説明するためのものであって、「大気圧＜低圧＜中圧＜高圧」を意味し、圧力の数値範囲を限定するものではない。
次に、従来の装置構成の一例を示す図６の系統図に基づいて具体的な液化工程を説明する。既存設備から略大気圧で導出された低純度窒素ガス又は廃ガス、例えば酸素濃度が１．５％で、残部が窒素の低純度窒素ガスＲＮは、略大気圧で深冷分離装置１１の多段圧縮機１２に吸入され、低圧段１２ａで約７バールに昇圧され、インタークーラで圧縮熱を除去された後、前記循環廃ガスＣＧと合流して中圧段１２ｂで深冷分離に必要な圧力である約１０バールに昇圧され、アフタークーラで圧縮熱を除去されて多段圧縮機１２から吐出される。約１０バールの中圧に昇圧した低純度窒素ガスＲＮは、保冷槽に収容された深冷分離部１３に導入されて深冷分離工程が行われる。
深冷分離部１３は、熱交換器１６、蒸留塔１７、凝縮器１８、膨張タービン１９等の低温機器を有するもので、深冷分離部１３に導入された中圧の低純度窒素ガスＲＮは、熱交換器１６で冷却された後、蒸留塔１７の下部に導入される。蒸留塔１７での蒸留操作により、蒸留塔１７の上部には高純度窒素ガスが分離し、下部には酸素濃度が増加した液化ガスが分離する。蒸留塔１７の上部から抜き出された高純度窒素ガスの一部と、蒸留塔１７の下部から抜き出されて減圧弁で減圧された液化ガスとは、凝縮器１８で熱交換することによって高純度窒素ガスが液化して液化窒素となり、液化ガスが気化して廃ガスとなる。
凝縮器１８で液化した液化窒素は、蒸留塔１７の上部に還流液として導入され、廃ガスの一部は熱交換器１６で寒冷をすべて回収された後、該廃ガスの圧力に相当する位置、例えば中圧段１２ｂの吸入側で多段圧縮機１２に循環廃ガスＣＧとして循環し、廃ガスの残部は、熱交換器１６で寒冷の一部を回収されてから膨張タービン１９に導入され、略大気圧まで断熱膨張して寒冷を発生した後、再び熱交換器１６に導入されて寒冷を回収され、廃ガスＷＧとして系外に排出される。そして、蒸留塔１７の上部から抜き出された高純度窒素ガスの残部は、熱交換器１６で寒冷を回収された後、中圧状態で常温の高純度窒素ガスＧＮとなってガス液化装置２１に供給される。
ガス液化装置２１は、前記多段圧縮機２２及び保冷槽に収容された前記液化部２４を有するもので、液化部２４は、複数の熱交換器２５ａ，２５ｂ，２５ｃと、寒冷を発生される複数の膨張タービン２６ａ，２６ｂと、該膨張タービン２６ａ，２６ｂの制動ブロワ２７ａ、２７ｂと、複数の減圧弁２８ａ，２８ｂ，２８ｃと、気液分離器２９とを有している。
ガス液化装置２１に供給された高純度窒素ガスは、第１循環経路２３ａ，第２循環経路２３ｂ及び第３循環経路２３ｃから多段圧縮機２２に循環した高純度窒素ガス（循環窒素ガスＣＮ１〜ＣＮ３）と合流して多段圧縮機２２の高圧段２２ｃで約３７バールの高圧に昇圧され、アフタークーラで圧縮熱を除去されて多段圧縮機２２から吐出され、ガス液化工程が行われる液化部２４に導入される。
液化部２４に導入された高圧の高純度窒素ガスの一部は、制動ブロワ２７ａでさらに昇圧され、アフタークーラを経て熱交換器２５ａに導入され、該熱交換器２５ａの低温端付近から抜き出されて膨張タービン２６ａに導入され、該膨張タービン２６ａで中圧状態まで断熱膨張して寒冷を発生した後、熱交換器２５ａで寒冷を回収されて第３循環経路２３ｃから多段圧縮機２２の中圧部分である高圧段２２ｃの吸入側に循環する。
また、高圧の高純度窒素ガスの残部は、制動ブロワ２７ｂでさらに昇圧され、アフタークーラを経て熱交換器２５ａに導入され、該熱交換器２５ａの途中で一部が分岐し、膨張タービン２６ｂで中圧状態まで断熱膨張して寒冷を発生した後、断熱膨張後の温度に対応した位置で熱交換器２５ａに導入され、前記第３循環経路２３ｃに合流して多段圧縮機２２の高圧段２２ｃの吸入側に循環する。熱交換器２５ａの低温端から導出された高圧の高純度窒素ガスは、減圧弁（ＪＴ弁）２８ａで中圧状態までフラッシュすることにより一部が液化し、高純度液化窒素と高純度窒素ガスとの混合流となって気液分離器２９に導入され、高純度液化窒素が下部に、高純度窒素ガスが上部に分離する。
気液分離器２９の上部に分離した中圧状態の高純度窒素ガスは、前記膨張タービン２６ａ，２６ｂでそれぞれ中圧状態まで断熱膨張した高純度窒素ガスと合流し、第３循環経路２３ｃを通って多段圧縮機２２の高圧段２２ｃの吸入側に第３循環窒素ガスＣＮ３として循環する。また、該気液分離器２９の下部から抜き出された高純度液化窒素は、熱交換器２５ｂで冷却された後に一部が分岐して減圧弁２８ｂで中圧状態から低圧状態まで膨張し、熱交換器２５ｂ及び熱交換器２５ａで寒冷を回収された後、第２循環経路２３ｂから多段圧縮機２２の低圧部分である中圧段２２ｂの吸入側に第２循環窒素ガスＣＮ２として循環する。
熱交換器２５ｂで冷却された高純度液化窒素の残部は、さらに熱交換器２５ｃで冷却され、その一部が高純度の液化窒素ＬＮとして採取され、残部の高純度液化窒素は、減圧弁２８ｃで中圧状態から大気圧状態まで膨張し、熱交換器２５ｃ，熱交換器２５ｂ及び熱交換器２５ａで寒冷を回収された後、第１循環経路２３ａから多段圧縮機２２の大気圧部分である低圧段２２ａの吸入側に第１循環窒素ガスＣＮ１として循環する。
特開２００５−７６９８５号公報 特開平６−９３９９７号公報（図２参照）
上述のように、既存装置から得られる低純度の窒素や廃ガスを原料に利用して高純度窒素ガスを製造する深冷分離装置１１では、原料となる低純度の窒素や廃ガスを多段圧縮機１２で１０バール程度に圧縮してから深冷分離操作を行っているため、深冷分離装置１１から得られる高純度窒素ガスＧＮの圧力も１０バール程度の圧力を有している。この高純度窒素ガスＧＮをガス液化装置２１に導入する場合は、ガス液化工程で発生してガス液化装置内で循環する高純度窒素ガスＣＮ１〜ＣＮ３と同様に、多段圧縮機２２の対応する圧縮段に導入する必要がある。したがって、ガス液化装置２１の多段圧縮機２２では、高純度窒素ガスＧＮが導入される高圧段２２ｃの吸入側までは、大気圧乃至低圧で循環する高純度窒素ガス（循環窒素ガスＣＮ１，ＣＮ２）を圧縮する状態となっている。
したがって、深冷分離装置１１及びガス液化装置２１の双方に多段圧縮機１２，２２が設置され、それぞれが複数の圧縮段、例えば、深冷分離装置１１の多段圧縮機１２では、低圧段１２ａに３段、中圧段１２ｂに１段の合計４段程度の圧縮段が設けられており、ガス液化装置２１の多段圧縮機２２においても、低圧段２２ａに２段、中圧段２２ｂに１段、高圧段２２ｃに３段の合計６段程度の圧縮段が設けられ、さらに、各圧縮段の吐出側に冷却手段（インタークーラ、アフタークーラ）がそれぞれ設けられているため、高価であり、設置面積も大きく、構成機器数も多いためにメンテナンス費用も嵩むという問題があった。
そこで本発明は、窒素以外の成分が最大でも１０％程度の低純度窒素ガス（廃ガスを含む）を原料として高純度の液化窒素を効率よく得ることができる液化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、本発明の液化窒素製造方法は、低純度窒素ガスを深冷分離して高純度窒素ガスを分離する深冷分離工程と、該深冷分離工程で分離した前記高純度窒素ガスの一部を断熱膨張させることにより発生した寒冷によって、前記高純度窒素ガスの残部を冷却し、該冷却された窒素ガスの少なくとも一部を液化して液化窒素を採取するガス液化工程とを含む液化窒素製造方法において、前記ガス液化工程で液化されなかった窒素ガスの少なくとも一部を、前記深冷分離工程前の前記低純度窒素ガスに循環合流させることを特徴とし、さらに、前記ガス液化工程の前段で、前記高純度窒素ガス中の一酸化炭素を除去する精製工程を行うことを特徴としている。
また、本発明の液化窒素製造装置は、低純度窒素ガスを深冷分離して高純度窒素ガスを分離する深冷分離装置と、該深冷分離装置で分離した前記高純度窒素ガスの一部を断熱膨張させることにより発生した寒冷によって、前記高純度窒素ガスの残部を冷却し、該冷却された窒素ガスの少なくとも一部を液化するガス液化装置とを備えた液化窒素製造装置において、前記ガス液化装置で液化されなかった窒素ガスの少なくとも一部を前記低純度窒素ガスに合流させる循環経路を設けたことを特徴とし、さらに、前記ガス液化装置の前段に、前記高純度窒素ガス中の一酸化炭素を除去する精製装置が設けられていることを特徴としている。
なお、本発明における前記低純度窒素ガスは、他の空気分離装置から得られた酸素濃度が数％、最大でも酸素濃度１０％程度の純度を有する窒素ガスであって、このような低純度窒素ガスを製造することを目的とした空気分離装置からの製品低純度窒素ガスだけではなく、酸素の製造を目的とした空気分離装置から排出される廃ガスも本発明における低純度窒素ガスとして用いることが可能である。
本発明によれば、液化装置の液化工程で発生する窒素ガスの少なくとも一部を深冷分離装置の深冷分離工程前の低純度窒素ガスに循環合流させることにより、今までの液化装置で低圧の窒素ガスを昇圧していた多段圧縮機の低圧段や中圧段を省略することが可能となる。これにより、液化装置で使用する多段圧縮機のコストダウンや設置面積の縮小、メンテナンス費用の削減を図れ、低純度窒素ガスから高純度の液化窒素を効率よく低コストで製造することができる。
図１は本発明の液化窒素製造方法を実施する本発明の液化窒素製造装置の第１形態例を示す概略系統図である。なお、以下の説明において、前記図５及び図６に示した液化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。
本形態例に示す液化窒素製造装置は、低純度窒素ガス（廃ガスを含む）を深冷分離して高純度窒素ガスを分離する高圧型プロセスを採用した深冷分離装置１１と、該深冷分離装置１１で得られた高純度窒素ガスを液化して高純度の液化窒素を製造するガス液化装置２１とで構成されている。
高圧型プロセスを採用した深冷分離装置１１では、低圧段１２ａ及び中圧段１２ｂを有する多段圧縮機１２で原料となる低純度窒素ガスＲＮと、深冷分離部１３から廃ガス循環経路１４を通って低圧状態で循環する循環廃ガスＣＧと、液化部２４から第１循環経路２３ａを通って大気圧状態で循環する第１循環窒素ガスＣＮ１と、液化部２４から第２循環経路２３ｂを通って低圧状態で循環する第２循環窒素ガスＣＮ２とを１０バール程度の中圧状態に昇圧し、昇圧した低純度窒素ガスＲＮを深冷分離部１３に導入して深冷分離することにより、製品ガス導出経路３１の高純度窒素ガスＧＮと、廃ガス導出経路３２の廃ガスＷＧと、廃ガス循環経路１４の循環廃ガスＣＧとを生成する。
ガス液化装置２１では、製品ガス導出経路３１の高純度窒素ガスＧＮと、液化部２４から第３循環経路２３ｃを通って中圧状態で循環する第３循環窒素ガスＣＮ３とが合流した後、高圧段２２ｃのみを有する多段圧縮機２２で３７バール程度の高圧状態に昇圧されて液化部２４に導入され、一部が液化されて高純度の液化窒素ＬＮが製品導出経路３３から導出される。また、液化部２４からは、前記第１循環経路２３ａの大気圧状態の第１循環窒素ガスＣＮ１と、第２循環経路２３ｂの低圧状態の第２循環窒素ガスＣＮ２と、第３循環経路２３ｃの中圧状態の第３循環窒素ガスＣＮ３とが導出される。
以下、具体的な数値を示して説明する。なお、流量単位中のＮｍ３は、標準状態に換算したガスの体積を表している。まず、原料ガス導入経路３４から導入される大気圧状態の低純度窒素ガス（酸素濃度１．５％、残部窒素、９３００Ｎｍ３／ｈ）は、第１循環経路２３ａから循環する前記第１循環窒素ガスＣＮ１（１５００Ｎｍ３／ｈ）と合流した後、多段圧縮機１２の低圧段１２ａに設けられた３段の圧縮段によって６．９バールの低圧状態に昇圧され、さらに、廃ガス循環経路１４から循環する前記循環廃ガスＣＧ（１１３００Ｎｍ３／ｈ）及び第２循環経路２３ｂから循環する第２循環窒素ガスＣＮ２（８００Ｎｍ３／ｈ）と合流し、中圧段１２ｂに設けられた１段の圧縮段によって１０．３バールに昇圧され、高純度窒素ガス製造用原料ガス（２２９００Ｎｍ３／ｈ）となって深冷分離部１３に導入される。
深冷分離部１３での深冷分離によって分離生成した高純度窒素ガスＧＮ（酸素濃度１ｐｐｍ以下、９３００Ｎｍ３／ｈ）は、中圧状態の９．８バールで製品ガス導出経路３１に導出されるとともに、大気圧状態の廃ガスＷＧ（２３００Ｎｍ３／ｈ）が廃ガス導出経路３２から系外に排出され、廃ガス循環経路１４に前記循環廃ガスＣＧ（酸素濃度６．１％、残部窒素、１１３００Ｎｍ３／ｈ）が低圧状態の６．９バールで導出されて中圧段１２ｂの吸入側に循環する。
製品ガス導出経路３１の高純度窒素ガスＧＮ（９３００Ｎｍ３／ｈ）は、第３循環経路２３ｃから循環する第３循環窒素ガスＣＮ３（５２５００Ｎｍ３／ｈ）と合流し、多段圧縮機２２の高圧段２２ｃで３７バールに昇圧されて液化部２４に導入される。液化部２４では、導入された高純度窒素ガス（６１８００Ｎｍ３／ｈ）の一部が液化され、製品導出経路３３から高純度の製品液化窒素ＬＮ（酸素濃度１ｐｐｍ以下、７０００Ｎｍ３／ｈ）として導出される。
液化部２４における液化工程で発生する低圧の窒素ガス（多段圧縮機２２で昇圧されて液化部２４に導入されるときの圧力に比べて低い圧力の窒素ガス。）は、液化部２４から第１循環経路２３ａに大気圧状態で導出される第１循環窒素ガスＣＮ１（１５００Ｎｍ３／ｈ）と、第２循環経路２３ｂに低圧状態（６．９バール）で導出される第２循環窒素ガスＣＮ２（８００Ｎｍ３／ｈ）と、第３循環経路２３ｃに導出される中圧状態（９．８バール）の第３循環窒素ガスＣＮ３（５２５００Ｎｍ３／ｈ）との３種である。
中圧状態で導出される第３循環窒素ガスＣＮ３は、第３循環経路２３ｃから多段圧縮機２２（高圧段２２ｃの吸入側）に循環させ、低圧状態で導出される第２循環窒素ガスＣＮ２は、第２循環経路２３ｂから深冷分離装置１１の多段圧縮機１２の中圧段１２ｂの吸入側に循環させるとともに、大気圧状態で導出される第１循環窒素ガスＣＮ１は、第１循環経路２３ａから深冷分離装置１１の多段圧縮機１２の低圧段１２ａの吸入側に循環させるようにしている。
このように、多段圧縮機２２（高圧段２２ｃ）の吸入側圧力より低い圧力の第１循環窒素ガスＣＮ１及び第２循環窒素ガスＣＮ２を、深冷分離装置１１の多段圧縮機１２に循環させて原料の低純度窒素ガスと合流させ、深冷分離工程における高純度窒素ガス製造用原料ガスの一部として利用することにより、従来の液化装置の多段圧縮機（図４，図５参照）に設けられていた低圧段（２２ａ）及び中圧段（２２ｂ）を省略することができる。
このとき、深冷分離装置１１の多段圧縮機１２は、第１循環窒素ガスＣＮ１及び第２循環窒素ガスＣＮ２が合流する分だけ圧縮段の容量を増加させる必要があるが、本形態例では、原料の低純度窒素ガスＲＮ（９３００Ｎｍ３／ｈ）及び循環する循環廃ガスＣＧ（１１３００Ｎｍ３／ｈ）の合計流量に比べて、第１循環窒素ガスＣＮ１（１５００Ｎｍ３／ｈ）及び第２循環窒素ガスＣＮ２（８００Ｎｍ３／ｈ）の合計流量が少ないので、多段圧縮機１２の大型化に要するコスト上昇は小さく、圧縮段の設置数を増加させる必要がないので、構成機器数も変わらず、メンテナンス費用もほとんど増加しない。
これに対し、液化装置２１の多段圧縮機２２においては、従来の多段圧縮機における高圧段２２ｃのみを設置すればよく、低圧段２２ａの２段の圧縮段及び中圧段２２ｂの１段の圧縮段を省略することができる。高圧段２２ｃに３段の圧縮段を必要としても、圧縮段を半減させることができ、これに伴ってアフタークーラ等の補器類も不要となるため、多段圧縮機２２の装置コストの削減、設置面積の縮小、さらに、構成機器数の減少によるメンテナンス費用の削減も図れる。
また、第１循環窒素ガスＣＮ１及び第２循環窒素ガスＣＮ２は、原料の低純度窒素ガスＲＮに比べて高純度の窒素ガスであることから、深冷分離装置１１に導入される原料窒素ガスの純度が、他の低純度窒素製造装置で製造されて深冷分離装置１１に導入される低純度窒素ガスＲＮの純度より高くなるが、前述のように液化装置２１から循環する高純度窒素ガスの量が全体量に比べて少なく、かつ、低純度窒素ガスＲＮの純度が９０％以上の場合、特に、数％程度、例えば本形態例のように酸素濃度が１．５％程度の低純度窒素ガスを使用する場合には、この低純度窒素ガスに高純度窒素ガスを混合して再び深冷分離工程で処理しても、装置全体の熱力学的効率は僅かしか低下しないことから、液化装置２１の多段圧縮機２２における低圧段及び中圧段を省略したことによる効率向上効果を損なうことはない。
ちなみに、深冷分離装置１１が一般の空気液化分離装置の場合は、酸素約２１％を含む原料空気に高純度窒素ガスを混合することになり、深冷分離によって高純度状態とした窒素を再び大量の酸素から分離する必要があるため、装置全体の熱力学的効率が大幅に低下し、前記低圧段及び中圧段を省略したことによる効率向上を損なうことがあり、ガス液化装置２１で発生した窒素ガスを空気液化分離装置の原料空気に循環混合してもほとんど効果はない。
図２は本発明の第２形態例を示す液化窒素製造装置の系統図である。本形態例は、前記第１形態例と同様に構成した液化窒素製造装置において、深冷分離装置１１から高純度窒素ガスを導出する製品ガス導出経路３１の途中に、高純度窒素ガス中の一酸化炭素を除去することを目的とした精製装置４１を設けた例を示している。
この精製装置４１は、一酸化炭素吸着用の吸着剤を充填した２基の吸着筒４１ａ，４１ｂを有するもので、一方の吸着筒が吸着工程を行っているときに他方の吸着筒を再生工程を行い、両吸着筒４１ａ，４１ｂを吸着工程と再生工程とに交互に切り換えることにより、高純度窒素ガス中の一酸化炭素を連続的に除去できるようにしている。再生工程で使用する再生ガスには、液化部２４から第１循環経路２３ａに導出された大気圧状態の第１循環窒素ガスＣＮ１の一部を再生ガス経路４２に分岐して使用している。なお、精製装置４１の再生ガスには、圧縮エネルギーを考慮すると、最も圧力の低い第１循環窒素ガスＣＮ１が最適であるが、第２循環窒素ガスＣＮ２の一部や第３循環窒素ガスＣＮ３の一部、さらに、精製装置４１を導出した高純度窒素ガスの一部を使用することも可能である。
図３は本発明の第３形態例を示す液化窒素製造装置の系統図である。本形態例に示す液化窒素製造装置は、低純度窒素ガスを深冷分離して高純度窒素ガスを分離する深冷分離装置１１が低圧型プロセスを採用しており、深冷分離部１３に導入される高純度窒素ガス製造用原料ガスの圧力が７．２バールで、深冷分離装置１１から製品ガス導出経路３１に導出される高純度窒素ガスＧＮの圧力が６．６バールに設定されていることで、前記第１，第２形態例とは異なっている。
原料ガス導入経路３４から導入される大気圧状態の低純度窒素ガスＲＮは、第１循環経路２３ａから循環する第１循環窒素ガスＣＮ１と合流した後、多段圧縮機１２の低圧段１２ａで４．７バールまで昇圧された後、廃ガス循環経路１４から循環する循環廃ガスＣＧと合流して中圧段１２ｂで７．２バールに昇圧されて深冷分離部１３に導入される。
深冷分離部１３での深冷分離によって分離生成した高純度窒素ガスＧＮは、６．６バールの低圧状態で製品ガス導出経路３１に導出され、第２循環経路２３ｂの低圧状態の第２循環窒素ガスＣＮ２と合流し、多段圧縮機２２の中圧段２２ｂで中圧状態に昇圧された後、第３循環経路２３ｂの中圧状態の第３循環窒素ガスＣＮ３と合流し、高圧段２２ｃで３７バールに昇圧されて液化部２４に導入される。
このように、深冷分離装置１１から導出される高純度窒素ガスＧＮの圧力が比較的低圧状態の場合には、ガス液化装置２１の多段圧縮機２２に中圧段２２ｂと高圧段２２ｃとを設け、中圧状態で循環する第３循環窒素ガスＣＮ３は第３循環経路２３ｃから高圧段２２ｃの吸入側に循環させ、低圧状態で循環する第２循環窒素ガスＣＮ２は第２循環経路２３ｂから中圧段２２ｂの吸入側に循環させるとともに、大気圧状態で循環する第１循環窒素ガスＣＮ１は第１循環経路２３ａから深冷分離装置１１の多段圧縮機１２における低圧段１２ａの吸入側に循環させて原料の低純度窒素ガスと合流させることにより、従来に比べてガス液化装置２１の多段圧縮機２２における低圧段（２２ａ）を不要とすることができ、低圧段２２ａの２段の圧縮段を省略することができる。
図４は本発明の第４形態例を示す液化窒素製造装置の系統図である。本形態例は、前記第２実施例と同様の構成を有する液化窒素製造装置において、ガス液化装置２１から製品導出経路３３に導出された後に熱交換経路３５に分岐して減圧弁３６で減圧した液化窒素の一部と、酸素ガス導入経路４３から導入される酸素ガスＧＯとを熱交換器４４で熱交換させ、酸素ガスを液化して液化酸素導出経路４５に液化酸素ＬＯを導出するとともに、熱交換器４４で気化した高純度窒素ガスを気化窒素循環経路３７を介して第２循環経路２３ｂの第２循環窒素ガスＣＮ２に合流させ、第２循環経路２３ｂから中圧段２２ｂの吸入側に循環させるように形成している。このように、ガス液化装置２１で液化させた液化窒素を他の流体の冷却源として利用することもできる。
なお、第３，第４形態例においても、前記第２形態例に示した精製装置を設けることができる。また、精製装置は、ガス液化装置２１の多段圧縮機２２の途中に組み込むことも可能であり、吸着剤には高純度窒素ガス中の一酸化炭素を除去可能な種々の吸着剤を使用することができる。さらに、各形態例では、深冷分離装置１１で得た高純度窒素ガスの全量をガス液化装置２１に導入しているが、得られた高純度窒素ガスの一部をそのまま、あるいは精製装置を経た後に高純度窒素ガス使用先に供給し、残部を液化するように形成することもできる。また、深冷分離装置１１の構成、ガス液化装置２１の構成は任意であり、周知の深冷分離装置、ガス液化装置を用いることができる。
本発明の液化窒素製造方法を実施する本発明の液化窒素製造装置の第１形態例を示す概略系統図である。 同じく第２形態例を示す概略系統図である。 同じく第３形態例を示す概略系統図である。 同じく第４形態例を示す概略系統図である。 従来の液化窒素製造装置の一例を示す概略系統図である。 従来の液化窒素製造装置の一例を示す系統図である。
符号の説明
１１…深冷分離装置、１２…多段圧縮機、１２ａ…低圧段、１２ｂ…中圧段、１３…深冷分離部、１４…廃ガス循環経路、１５…排気経路、１６…熱交換器、１７…蒸留塔、１８…凝縮器、１９…膨張タービン、２１…ガス液化装置、２２…多段圧縮機、２２ａ…低圧段、２２ｂ…中圧段、２２ｃ…高圧段、２３ａ…第１循環経路、２３ｂ…第２循環経路、２３ｃ…第３循環経路、２４…液化部、２５ａ，２５ｂ，２５ｃ…熱交換器、２６ａ，２６ｂ…膨張タービン、２７ａ、２７ｂ…制動ブロワ、２８ａ，２８ｂ，２８ｃ…減圧弁、２９…気液分離器、３１…製品ガス導出経路、３２…廃ガス導出経路、３３…製品導出経路、３４…原料ガス導入経路、３５…、４１…精製装置、４１ａ，４１ｂ…吸着筒、４２…再生ガス経路、４３…酸素ガス導入経路、４４…熱交換器、４５…液化酸素導出経路、ＣＧ…循環廃ガス、ＣＮ１…第１循環窒素ガス、ＣＮ２…第２循環窒素ガス、ＣＮ３…第３循環窒素ガス、ＧＮ…高純度窒素ガス、ＬＮ…液化窒素、ＲＮ…低純度窒素ガス、ＷＧ…廃ガス

Claims (4)

  1. 低純度窒素ガスを深冷分離して高純度窒素ガスを分離する深冷分離工程と、該深冷分離工程で分離した前記高純度窒素ガスの一部を断熱膨張させることにより発生した寒冷によって、前記高純度窒素ガスの残部を冷却し、該冷却された窒素ガスの少なくとも一部を液化して液化窒素を採取するガス液化工程とを含む液化窒素製造方法において、前記ガス液化工程で液化されなかった窒素ガスの少なくとも一部を、前記深冷分離工程前の前記低純度窒素ガスに循環合流させることを特徴とする液化窒素製造方法。
  2. 前記ガス液化工程の前段で、前記高純度窒素ガス中の一酸化炭素を除去する精製工程を行うことを特徴とする請求項１記載の液化窒素製造方法。
  3. 低純度窒素ガスを深冷分離して高純度窒素ガスを分離する深冷分離装置と、該深冷分離装置で分離した前記高純度窒素ガスの一部を断熱膨張させることにより発生した寒冷によって、前記高純度窒素ガスの残部を冷却し、該冷却された窒素ガスの少なくとも一部を液化するガス液化装置とを備えた液化窒素製造装置において、前記ガス液化装置で液化されなかった窒素ガスの少なくとも一部を前記低純度窒素ガスに合流させる循環経路を設けたことを特徴とする液化窒素製造装置。
  4. 前記ガス液化装置の前段に、前記高純度窒素ガス中の一酸化炭素を除去する精製装置が設けられていることを特徴とする請求項３記載の液化窒素製造装置。
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