JP6086272B1 - 窒素及び酸素製造方法、並びに窒素及び酸素製造装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、従来よりも窒素及び酸素製造装置の高さを低くすることの可能な窒素及び酸素製造方法、並びに窒素及び酸素製造装置を提供することを課題とする。【解決手段】窒素及び酸素製造装置１０を用いて、原料空気を深冷分離することで、窒素及び酸素を製造する窒素及び酸素製造方法であって、第３精留塔６４の塔底部に濃縮された高純度酸素液化流体を蒸発させる際に、第２精留塔４６の内圧よりも圧力が高い圧力とされた第１窒素ガス流体の一部を用いる。【選択図】図１

Description

本発明は、深冷式空気分離方法を用いた窒素及び酸素製造方法、並びに窒素及び酸素製造装置に関する。
半導体業界では、多量の高純度窒素と同時に、少量の気体の高純度酸素を必要とする場合が多くある。従来、高純度の窒素及び酸素を製造する方法としては、空気を深冷分離する方法が一般的である。
特許文献１には、高純度窒素ガスと、同時に少量の気体の高純度酸素を製造する窒素及び酸素製造装置が開示されている。特許文献１に開示された窒素及び酸素の製造装置を用いる場合、製品酸素となる気体の高純度酸素は、第３精留塔において、第２精留塔からの第２酸素富化液化流体を低温蒸留することで得られる液状の高純度酸素を、熱交換器を通過させることで生成する。
また、特許文献１に開示された窒素及び酸素製造装置では、第３精留塔内の塔底部に存在する高純度酸素液化流体を蒸発気化させる際に第２窒素ガス流体を用いることが開示されている。
このため、特許文献１に開示された窒素及び酸素製造装置では、第２凝縮器で凝縮液化された第２液化窒素流体を第２精留塔内に戻すために、第２精留塔の上方に第３精留塔を配置していた。
特許第５３０７０５５号公報
上述したように、特許文献１に開示された窒素及び酸素製造装置では、第２精留塔の上方に第３精留塔を配置する必要があるため、窒素及び酸素製造装置の高さが高くなってしまうという問題があった。
そのため、公道を使用して窒素及び酸素製造装置を設置場所に陸路輸送する場合において、道路通行上の制限により輸送に問題が生じる恐れがあった。
そこで、本発明は、従来よりも窒素及び酸素製造装置の高さを低くすることの可能な窒素及び酸素製造方法、並びに窒素及び酸素製造装置を提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明によれば、窒素及び酸素製造装置を用いて、原料空気を深冷分離することで、窒素及び酸素を製造する窒素及び酸素製造方法であって、第１精留塔において、圧縮、精製、及び冷却した前記原料空気を低温蒸留することで、塔頂部に濃縮される第１窒素ガス流体と、塔底部に濃縮される第１酸素富化液化流体と、に分離する第１分離工程と、第１凝縮器において、前記第１窒素ガス流体と前記第１酸素富化液化流体の一部とを、間接熱交換し、前記第１窒素ガス流体を凝縮液化して第１液化窒素流体を得るとともに、前記第１酸素富化液化流体の一部を蒸発ガス化して第１酸素富化ガス流体を生成する第１間接熱交換工程と、第２精留塔において、塔頂部に濃縮される第２窒素ガス流体と、塔底部に濃縮される第２酸素富化液化流体と、塔中部に濃縮される第３酸素富化液化流体と、に分離する第２分離工程と、第２凝縮器において、前記第２窒素ガス流体と前記第２酸素富化液化流体とを間接熱交換し、前記第２窒素ガス流体を凝縮液化して、第２液化窒素流体を得るとともに、前記第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生成する第２間接熱交換工程と、第３精留塔において、前記第３酸素富化液化流体を低温蒸留することで、塔頂部に濃縮される第３酸素富化ガス流体と、塔底部に濃縮される高純度酸素液化流体と、に分離する第３分離工程と、前記第３精留塔内の底部に設けられ、かつ液相部に浸漬された第３凝縮器において、前記第１窒素ガス流体の一部と前記高純度酸素液化流体とを間接熱交換し、前記第１窒素ガス流体を凝縮液化して第３液化窒素流体を得るとともに、前記高純度酸素液化流体を蒸発ガス化して高純酸素ガス流体を生成する第３間接熱交換工程と、前記第３液化窒素流体を前記第２分離工程の原料として前記第２精留塔に供給する工程と、熱交換器において熱回収された前記第１窒素ガス流体の残部を、第１製品窒素ガスとして回収する第１製品回収工程と、前記熱交換器において熱回収された前記第２窒素ガス流体の一部を、第２製品窒素ガスとして回収する第２製品回収工程と、前記第３精留塔の底部から導出された前記高純度酸素液化流体を加圧する酸素流体圧縮工程と、前記酸素流体圧縮工程において加圧された前記高純度酸素液化流体を、前記熱交換器において熱回収後に、製品酸素ガスとして回収する第３製品回収工程と、を含み、前記第２分離工程では、前記第１酸素富化液化流体の残部と、前記第１酸素富化ガス流体と、前記第３液化窒素流体と、を低温蒸留することを特徴とする窒素及び酸素製造方法が提供される。
また、請求項２に係る発明によれば、前記第３分離工程において、低温蒸留する前記第３酸素富化液化流体は、前記第２精留塔の前記第１酸素富化ガス流体の導入口よりも高い位置から導出することを特徴とする請求項１記載の窒素及び酸素製造方法が提供される。
また、請求項３に係る発明によれば、前記第３酸素富化ガス流体の一部を膨張タービンに導入して寒冷を発生させる寒冷発生工程を含むことを特徴とする請求項１または２記載の窒素及び酸素製造方法が提供される。
また、請求項４に係る発明によれば、前記寒冷発生工程において、前記第１酸素富化ガス流体の一部を膨張タービンに導入して寒冷を発生させることを特徴とする請求項３記載の窒素及び酸素製造方法が提供される。
また、請求項５に係る発明によれば、前記酸素流体圧縮工程では、液酸ポンプを用いて、前記高純度酸素液化流体の一部を加圧することを特徴とする請求項１ないし４のうち、いずれか１項記載の窒素及び酸素製造方法が提供される。
また、請求項６に係る発明によれば、前記酸素流体圧縮工程では、加圧式貯槽を用いて、前記高純度酸素液化流体の一部を加圧することを特徴とする請求項１ないし４のうち、いずれか１項記載の窒素及び酸素製造方法が提供される。
また、請求項７に係る発明によれば、前記高純度酸素液化流体をバッファータンクに一時的に貯留する貯留工程を含むことを特徴とする請求項１から６のうち、いずれか１項記載の窒素及び酸素製造方法が提供される。
また、請求項８に係る発明によれば、原料空気を深冷分離することで、窒素及び酸素を製造する窒素及び酸素製造装置であって、圧縮、精製、及び冷却した前記原料空気を低温蒸留することで、塔頂部に濃縮される第１窒素ガス流体と、塔底部に濃縮される第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窒素ガス流体と前記第１酸素富化液化流体の一部とを間接熱交換し、前記第１窒素ガス流体を凝縮液化して第１液化窒素流体を得るとともに、前記第１酸素富化液化流体の一部を蒸発ガス化して第１酸素富化ガス流体を生成する第１凝縮器と、塔頂部に濃縮される第２窒素ガス流体と、塔底部に濃縮される第２酸素富化液化流体と、塔中部に濃縮される第３酸素富化液化流体と、に分離する第２精留塔と、前記第２窒素ガス流体と前記第２酸素富化液化流体とを間接熱交換し、前記第２窒素ガス流体を凝縮液化して第２液化窒素流体を得るとともに、前記第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生成する第２凝縮器と、前記第３酸素富化液化流体を低温蒸留することで、塔頂部に濃縮される第３酸素富化ガス流体と塔底部に濃縮される高純度酸素液化流体とに分離する第３精留塔と、前記第３精留塔内の底部に、該第３精留塔内に形成された液相部に浸漬されるように配置されており、前記第１窒素ガス流体の一部と前記高純度酸素液化流体とを間接熱交換し、前記第１窒素ガス流体を凝縮液化して第３液化窒素流体を得るとともに、前記高純度酸素液化流体を蒸発ガス化して高純酸素ガス流体を生成する第３凝縮器と、寒冷を発生させる膨張タービンと、前記第３精留塔の底部から導出された前記高純度酸素液化流体を加圧する加圧機構と、前記第１窒素ガス流体、前記第２窒素ガス流体、及び昇圧された前記高純度酸素液化流体の熱を回収し、前記原料空気を冷却する熱交換器と、前記熱交換器において熱回収された前記第１窒素ガス流体の残部を、第１製品窒素ガスとして導出する第１製品回収ラインと、前記熱交換器において熱回収された前記第２窒素ガス流体の一部を、第２製品窒素ガスとして導出する第２製品回収ラインと、前記加圧機構により昇圧された前記高純度酸素液化流体を、前記熱交換器において熱回収後、製品酸素ガスとして導出する第３製品回収ラインと、を含み、前記第２精留塔は、前記第１酸素富化液化流体の残部と前記第１酸素富化ガス流体と前記第３液化窒素流体とを低温蒸留し、前記第３精留塔は、前記第２精留塔の上端よりも低い位置に配置することを特徴とする窒素及び酸素製造装置が提供される。
また、請求項９に係る発明によれば、前記第３精留塔に導入する前記第３酸素富化液化流体を前記第２精留塔から導出する第３酸素富化液化流体導出ラインと、前記第２の精留塔に設けられ、前記第１酸素富化ガス流体を前記第２の精留塔内に導入する第１酸素富化ガス流体導入口と、を有し、前記第３酸素富化液化流体導出ラインは、前記第１酸素富化ガス流体導入口が設けられた位置よりも高い位置で前記第２精留塔と接続されていることを特徴とする請求項８に記載の窒素及び酸素製造装置が提供される。
また、請求項１０に係る発明によれば、前記膨張タービンと接続され、前記第３精留塔内の前記第３酸素富化ガス流体を該膨張タービンに供給する第３酸素富化ガス流体供給ラインを有し、前記第３酸素富化ガス流体供給ラインは、前記第３精留塔の塔頂部と接続されていることを特徴とする請求項８または９記載の窒素及び酸素製造装置が提供される。
また、請求項１１に係る発明によれば、前記膨張タービンに導入する前記第１酸素富化ガス流体を供給する第１酸素富化ガス流体供給ラインを有し、前記第１酸素富化ガス流体供給ラインは、前記第１凝縮器に接続されていることを特徴とする請求項８から１０のうち、いずれか１項記載の窒素及び酸素製造装置が提供される。
また、請求項１２に係る発明によれば、前記加圧機構は、液酸ポンプであることを特徴とする請求項８ないし１１のうち、いずれか１項記載の窒素及び酸素製造装置が提供される。
また、請求項１３に係る発明によれば、前記加圧機構は、加圧式貯槽であることを特徴とする請求項８ないし１１のうち、いずれか１項記載の窒素及び酸素製造装置が提供される。
また、請求項１４に係る発明によれば、前記第３製品回収ラインと接続されたバッファータンクを有することを特徴とする請求項８ないし１３のうち、いずれか１項記載の窒素及び酸素製造装置が提供される。
本発明によれば、従来よりも窒素及び酸素製造装置の高さを低くすることができる。
本発明の第１の実施形態の窒素及び酸素製造装置の概略構成を示す系統図である。 本発明の第２の実施形態の窒素及び酸素製造装置の概略構成を示す系統図である。 本発明の第３の実施形態の窒素及び酸素製造装置の概略構成を示す系統図である。 本発明の第４の実施形態の窒素及び酸素製造装置の概略構成を示す系統図である。 本発明の第５の実施形態の窒素及び酸素製造装置の概略構成を示す系統図である。 比較例の窒素及び酸素製造装置の概略構成を示す系統図である。 比較例の窒素及び酸素製造装置と実施例１の窒素及び酸素製造装置との高さを模式的に示す図である。
以下、図面を参照して本発明を適用した実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の実施形態の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の窒素及び酸素製造装置の寸法関係とは異なる場合がある。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の窒素及び酸素製造装置の概略構成を示す系統図である。
図１を参照するに、第１の実施形態の窒素及び酸素製造装置１０は、原料空気を深冷分離することで窒素及び酸素を製造する装置であり、フィルター１１と、原料空気供給用ライン１２と、原料空気圧縮機１４と、精製器１７と、減圧弁２６，４４，５２，５４，６７，８５と、主熱交換器１９と、第１精留塔２２と、ライン２４，３１，３３，３５，３８，４１，５１，５６，５９，６２，６６，６８，７４，７９，８３，９３と、第１凝縮器２８と、第１製品回収ライン３６と、第２精留塔４６と、第１酸素富化ガス流体導入口４７と、第２製品回収ライン４８と、窒素ガス圧縮機４９と、製品回収ライン５０と、第３酸素富化液化流体導出ライン５３と、第２凝縮器５７と、第３精留塔６４と、第３酸素富化ガス流体供給ライン６５と、膨張タービン７２と、第３製品回収ライン７６と、加圧機構である液酸ポンプ７７と、を有する。
フィルター１１は、原料空気を窒素及び酸素製造装置１０内に取り込む位置に設けられている。フィルター１１は、原料空気供給用ライン１２の一端と接続されている。フィルター１１は、原料空気に含まれる大型の不純物を除去する。
原料空気供給用ライン１２は、その他端が第１精留塔２２の下部と接続されている。原料空気供給用ライン１２の一部は、主熱交換器１９内に収容されている。原料空気供給用ライン１２には、フィルター１１を通過した原料空気が供給される。
原料空気圧縮機１４は、フィルター１１の後段に位置する原料空気供給用ライン１２に設けられている。原料空気圧縮機１４は、フィルター１１を通過した原料空気を所定の圧力まで昇圧する。
精製器１７は、原料空気圧縮機１４の後段に位置する原料空気供給用ライン１２に設けられている。精製器１７には、昇圧された原料空気が導入され、原料空気に含まれる水蒸気及び二酸化炭素等の不純物が除去される。不純物が除去された原料空気は、原料空気供給用ライン１２を介して、主熱交換器１９に導入される。その後、原料空気は、第１精留塔２２の下部に導入される。
主熱交換器１９は、精製器１７と第１精留塔２２との間に位置する原料空気供給用ライン１２の一部を収容するように配置されている。主熱交換器１９は、不純物が除去された原料空気が所定温度となるように冷却する。冷却された原料空気は、第１精留塔２２の下部に導入される。
第１精留塔２２は、冷却された原料空気を低温蒸留することで、第１精留塔２２の塔頂部に濃縮される第１窒素ガス流体と、第１精留塔２２の塔底部に濃縮される第１酸素富化液化流体と、に分離する。
すなわち、第１精留塔２２に導入された原料空気は、第１精留塔２２内を上昇する際に、後述する還流液である第１液化窒素流体と向流接触を行うことで、低沸点成分の組成が増加する。また、還流液となる第１液化窒素流体は、第１精留塔２２内を下降する際に、上昇ガスである原料空気と向流接触を行うことで、高沸点成分の組成が増加する。
これにより、第１精留塔２２の塔頂部には、原料空気よりも窒素濃度が高く、酸素濃度の低い第１窒素ガス流体が生成され、塔底部には、原料空気よりも窒素濃度が低く、酸素濃度の高い第１酸素富化液化流体が生成される。
ライン２４は、その一端が第１精留塔２２の下端と接続されており、他端が第１凝縮器２８の下端と接続されている。ライン２４は、第１精留塔２２の下端から導出した第１酸素富化液化流体を第１凝縮器２８に導入する。
減圧弁２６は、ライン２４に設けられている。減圧弁２６は、第１酸素富化液化流体を所定の圧力に減圧する。
第１凝縮器２８は、ライン３３，３５を介して第１凝縮器２８内に導入される第１窒素ガス流体と、第１酸素富化液化流体の一部とを間接熱交換する。これにより、第１凝縮器２８は、第１窒素ガス流体を凝縮液化して第１液化窒素流体を得るとともに、第１酸素富化液化流体の一部を蒸発ガス化して、第１酸素富化ガス流体を生成する。
ライン３１は、その一端が第１凝縮器２８と接続されており、他端が第１精留塔２２の塔頂部と接続されている。第１凝縮器２８から導出された第１液化窒素流体は、ライン３１を介して、第１精留塔２２内に導入される。これにより、第１液化窒素流体は、第１精留塔２２内において、還流液となる。
ライン３３は、一端が第１精留塔２２の塔頂部と接続されており、他端がライン３５の一端、及び第１製品回収ライン３６の一端と接続されている。ライン３３は、第１精留塔２２の塔頂部から第１窒素ガス流体を導出する。
第１精留塔２２の塔頂部から導出された第１窒素ガス流体の一部は、第１製品回収ライン３６に供給される。そして、第１窒素ガス流体の残部は、ライン３５を介して、第１凝縮器２８内に導入される。
ライン３５は、その他端が第１凝縮器２８と接続されている。
第１製品回収ライン３６は、その一部が主熱交換器１９内を通過している。第１製品回収ライン３６の他端は、第２製品回収ライン４８の他端、及び製品回収ライン５０の一端と接続されている。主熱交換器１９を通過した第１窒素ガス流体は、製品回収ライン５０に導出され、第１製品窒素ガスとして回収する。
ライン３８は、その一端が第１凝縮器２８と接続されており、他端が第２精留塔４６の下部に設けられた第１酸素富化ガス流体導入口４７と接続されている。ライン３８は、第１凝縮器２８から導出した第１酸素富化ガス流体を、第２精留塔４６の下部に導入する。
ライン４１は、第１精留塔２２と減圧弁２６との間に位置するライン２４から分岐されたラインである。ライン４１の他端は、第２精留塔４６に接続されている。ライン４１は、ライン４１から導出した第１酸素富化液化流体の一部を、減圧弁４４及び第１酸素富化ガス流体導入口４７を介して、第２精留塔４６に導入する。
減圧弁４４は、ライン４１に設けられている。減圧弁４４は、第１酸素富化液化流体を減圧する。
第２精留塔４６は、第１酸素富化液化流体の残部と、第１酸素富化ガス流体と、後述する第３液化窒素流体と、を低温蒸留することで、を低温蒸留することで、塔頂部に濃縮される第２窒素ガス流体と、塔底部に濃縮される第２酸素富化液化流体と、塔中部に濃縮される第３酸素富化液化流体と、に分離する。
すなわち、第２精留塔４６に導入された第１酸素富化ガス流体は、第２精留塔４６内を上昇する際に、後述する還流液である第２液化窒素流体と向流接触を行うことで、低沸点成分の組成が増加する。また、還流液となる第２液化窒素流体は、第２精留塔４６内を下降する際に、上昇ガスである第１酸素富化ガス流体と向流接触を行うことで、高沸点成分の組成が増加する。
これにより、第２精留塔４６の塔頂部には、第１酸素富化ガス流体よりも窒素濃度が高く、酸素濃度の低い第２窒素ガス流体が生成され、塔底部には、第１酸素富化ガス流体よりも窒素濃度が低く、酸素濃度の高い第２酸素富化液化流体が生成される。
第１酸素富化ガス流体導入口４７は、第２精留塔４６の下部に設けられている。
第２製品回収ライン４８は、一端が第２精留塔４６の塔頂部と接続されており、一部が主熱交換器１９内を通過するように配置されている。第２製品回収ライン４８の他端は、主熱交換器１９の後段に配置されており、第１製品回収ライン３６の他端、及び製品回収ライン５０の一端と接続されている。
第２製品回収ライン４８は、第２精留塔４６の塔頂部から第２窒素ガス流体の一部を導出し、主熱交換器１９において熱回収された第２窒素ガス流体の一部を第２製品窒素ガスとして導出する。
窒素ガス圧縮機４９は、主熱交換器１９の後段に位置する第２製品回収ライン４８に設けられている。窒素ガス圧縮機４９は、第１製品回収ライン３６を流れる第１窒素ガス流体に、第２製品回収ライン４８を流れる第２窒素ガス流体を合流させる前に、第２窒素ガス流体を昇圧する。
製品回収ライン５０は、第１及び第２製品窒素ガスを回収するためのラインである。
ライン５１は、一端が第２精留塔４６の塔底部と接続されており、他端が第２凝縮器５７の底部と接続されている。
ライン５１は、第２精留塔４６内の下端から導出した第２酸素富化液化流体を第２凝縮器５７に導出する。
減圧弁５２は、ライン５１に設けられている。減圧弁５２は、ライン５１内を流れる第２酸素富化液化流体を減圧する。減圧された第２酸素富化液化流体は、減圧弁５２の下流側に位置するライン５１により、第２凝縮器５７に導入される。
第３酸素富化液化流体導出ライン５３は、その一端が第２精留塔４６の塔中部と接続されており、他端が第３精留塔６４の上部と接続されている。第３酸素富化液化流体導出ライン５３は、第３精留塔６４に導入する第３酸素富化液化流体を第２精留塔４６から導出するためのラインである。
第３酸素富化液化流体導出ライン５３は、第１酸素富化ガス流体導入口４７が設けられた位置よりも高い位置で第２精留塔４６と接続されている。
このように、第１酸素富化ガス流体導入口４７が設けられた位置よりも高い位置で第２精留塔４６と第３酸素富化液化流体導出ライン５３とを接続することにより、第３酸素富化液化流体に含まれる炭化水素の濃度を抑えることができる。
減圧弁５４は、第３酸素富化液化流体導出ライン５３に設けられている。減圧弁５４は、第３精留塔６４に導入する前の第３酸素富化液化流体を減圧する。
ライン５６は、第２製品回収ライン４８から分岐した分岐ラインであり、第２凝縮器５７と接続されている。ライン５６は、第２製品回収ライン４８内を流れる第２窒素ガス流体の一部を第２凝縮器５７内に導入する。
第２凝縮器５７は、第２窒素ガス流体と第２酸素富化液化流体とを間接熱交換する。これにより、第２凝縮器５７は、第２窒素ガス流体を凝縮液化して第２液化窒素流体を得るとともに、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生成する。
ライン５９は、一端が第２凝縮器５７と接続されており、他端が第２精留塔４６の塔頂部と接続されている。ライン５９は、第２凝縮器５７により生成された第２液化窒素流体を第２精留塔４６に供給する。そして、第２液化窒素流体は、第２精留塔４６内において還流液となる。
ライン６２は、一端が第２凝縮器５７と接続されており、一部が主熱交換器１９を通過している。ライン６２は、第２凝縮器５７から第２酸素富化ガス流体を導出する。ライン６２に導出された第２酸素富化ガス流体うち、精製器１７の再生に用いられない流体は、窒素及び酸素製造装置１０外へ排気される。
第３精留塔６４は、その塔底部に第３凝縮器８１を収容する精留塔である。第３精留塔６４は、減圧後の前記第３酸素富化液化流体を低温蒸留することで、塔頂部に濃縮される第３酸素富化ガス流体と、塔底部に濃縮される高純度酸素液化流体と、に分離する。
すなわち、第３精留塔６４に導入された第３酸素富化液化流体は、還流液として第３精留塔６４内を降下し、後述する上昇ガスである高純酸素ガス流体と向流接触を行うことで、高沸点成分の組成が増加する。また、上昇ガスである高純酸素ガス流体は、第３精留塔６４内を上昇する際に、還流液である第３酸素富化液化流体と向流接触を行うことで、低沸点成分の組成が増加する。
これにより、第３精留塔６４の塔頂部には、第３酸素富化液化流体よりも窒素濃度が高く、酸素濃度の低い第３窒素ガス流体が生成され、塔底部には、第３酸素富化液化流体よりも窒素濃度が低く、酸素濃度の高い高純度酸素液化流体が生成される。
第３精留塔６４は、第２精留塔の上端よりも低い位置に配置されている。
第３酸素富化ガス流体供給ライン６５は、一端が第３精留塔６４の塔頂部と接続されており、他端がライン６６，９３の一端と接続されている。これにより、第３酸素富化ガス流体供給ライン６５は、ライン９３を介して、膨張タービン７２の導入口と接続されている。
第３酸素富化ガス流体供給ライン６５は、ライン９３を介して、第３精留塔６４内の第３酸素富化ガス流体を膨張タービン７２に供給するためのラインである。
このような第３酸素富化ガス流体供給ライン６５を有することで、膨張タービン７２において、窒素及び酸素製造装置１０に必要な寒冷を発生させることができる。
ライン６６は、その他端が主熱交換器１９の前段に位置するライン６２と接続されている。ライン６６には、減圧弁６７を介して、第３酸素富化ガス流体供給ライン６５を流れる第３酸素富化ガスの一部が供給される。
ライン９３は、一端がライン６６の一端、及び第３酸素富化ガス流体供給ライン６５の他端と接続されており、他端が膨張タービン７２と接続されている。
減圧弁６７は、ライン６６に設けられている。減圧弁６７は、ライン６２を流れる第２酸素富化ガス流体に第３酸素富化ガス流体を合流させる前に、第３酸素富化ガス流体を減圧する。
ライン６８は、主熱交換器１９の後段に位置するライン６２から分岐された分岐ラインであり、精製器１７と接続されている。ライン６８は、主熱交換器１９により昇温された第２酸素富化ガス流体及び第３酸素富化ガス流体の一部を精製器１７に導入することで、精製器１７の再生を行う。
膨張タービン７２は、導出口がライン７４と接続されている。膨張タービン７２は、所定の温度まで昇温した第３酸素富化ガス流体の一部を膨張させ、ライン７４に膨張した第３酸素富化ガス流体を導出する。
ライン７４は、その一端が膨張タービン７２の導出口と接続され、他端が主熱交換器１９の前段に位置するライン６２と接続されている。ライン７４は、膨張タービン７２を経由した第３酸素富化ガス流体と、ライン６２を流れる第２酸素富化ガス流体に合流させるためのラインである。
第３製品回収ライン７６は、一端が第３精留塔６４の塔底部と接続されており、一部が主熱交換器１９内を通過している。第３製品回収ライン７６は、第３精留塔６４から導出され、所定の圧力まで昇温された高純度酸素液化流体を製品酸素ガスとして回収するためのラインである。
液酸ポンプ７７は、主熱交換器１９の前段に位置する第３製品回収ライン７６に設けられている。
液酸ポンプ７７は、第３製品回収ライン７６内を流れる高純度酸素液化流体を所定の圧力まで昇圧する。液酸ポンプ７７により所定の圧力まで昇圧された高純度酸素液化流体は、主熱交換器１９に供給される。
ライン７９は、主熱交換器１９の前段に位置する第１製品回収ライン３６から分岐されており、その先端が第３凝縮器８１と接続されている。ライン７９には、第１精留塔２２の塔頂部からライン３３に導出された第１窒素ガス流体の残部が導入される。ライン７９は、第１窒素ガス流体の残部を第３凝縮器８１に供給する。
第３凝縮器８１は、第３精留塔６４内の底部に、第３精留塔６４内に形成された液相部に浸漬されるように配置されている。第３凝縮器８１は、第１窒素ガス流体の一部と高純度酸素液化流体とを間接熱交換する。
これにより、第３凝縮器８１は、第１窒素ガス流体を凝縮液化して第３液化窒素流体を得るとともに、高純度酸素液化流体を蒸発ガス化して高純酸素ガス流体を生成する。
ライン８３は、一端が第３凝縮器８１と接続されており、他端が第２精留塔４６の塔中部と接続されている。ライン８３は、第３凝縮器８１で生成された第３液化窒素流体を導出する。減圧弁８５は、ライン８３に設けられており、第３液化窒素流体を所定の圧力に減圧する。ライン８３は、減圧弁８５を介して、第３凝縮器８１で生成された第３液化窒素流体を第２精留塔４６に供給する。
第１の実施形態の窒素及び酸素製造装置１０によれば、上述した構成とすることにより、第３精留塔６４の塔底部に濃縮された高純度酸素液化流体を蒸発させる際に、第２精留塔４６の内圧よりも圧力が高い圧力とされた第１窒素ガス流体の一部を用いることが可能となるので、第２精留塔４６内に、第３凝縮器８１で凝縮液化された第３液化窒素流体を導入する際に、重力を用いる必要がなくなる。
これにより、第２精留塔４６の上端の位置よりも低い位置に、第３凝縮器８１及び第３精留塔６４を設置することが可能となるので、従来の窒素及び酸素製造装置と比較して、窒素及び酸素製造装置１０の高さを低くすることができる。
なお、第１精留塔２２、第２精留塔４６、及び第３精留塔６４内には、例えば、図示していない精留段（棚）、規則充填材、または不規則充填材等を設けてもよい。
次に、図１を参照して、図１に示す窒素及び酸素製造装置１０を用いて、原料空気を深冷分離することで、窒素及び酸素を製造する第１１の実施形態の窒素及び酸素製造方法について説明する。
まず、初めに、フィルター１１を介して、原料空気供給用ライン１２内に原料空気を導入する。大気からフィルター１１を通して吸入した原料空気は、原料空気圧縮機１４により所定の圧力まで昇圧され、その後、精製器１７に導入される。精製器１７では、原料空気に含まれる水蒸気や二酸化炭素等の不純物を除去する。
次いで、不純物が除去された原料空気は、主熱交換器１９に導入され、主熱交換器１９により所定温度に冷却される。その後、冷却された原料空気は、原料空気供給用ライン１２により、第１精留塔２２の底部に導入される。
そして、第１精留塔２２では、圧縮、精製、及び冷却された原料空気を低温蒸留することで、第１精留塔２２の塔頂部に濃縮される第１窒素ガス流体と、第１精留塔２２の塔底部に濃縮される第１酸素富化液化流体と、に分離する（第１分離工程）。
第１精留塔２２の塔頂部からライン３３を介して抜き出された第１窒素ガス流体の一部は、第１製品回収ライン３６内を流れ、主熱交換器１９内において、原料空気と間接熱交換を行うことによって昇温される。
そして、主熱交換器１９の後段に位置する第１製品回収ライン３６内において、昇温された第１窒素ガス流体の一部と、窒素ガス圧縮機４９で昇圧された第２窒素ガス流体と、が合流し、製品回収ライン５０から第１窒素ガス流体の一部を第１製品窒素ガスとして回収する（第１製品回収工程）。
第１精留塔２２の塔頂部からライン３３に抜き出された第１窒素ガス流体の残部は、ライン３５を介して、第１凝縮器２８に導入される。
さらに、第１製品回収ライン３６及びライン７９を介して、第１窒素ガス流体の残部は、第３凝縮器８１に導入される。
また、第１精留塔２２の塔底部に生成された第１酸素富化液化流体は、ライン２４により導出され、一部がライン４１に供給され、減圧弁２６において所定の圧力に減圧され、その後、第１凝縮器２８に導入される。
また、第１酸素富化液化流体の残部は、ライン４１を介して、減圧弁４４において所定の圧力に減圧された後、寒冷として第２精留塔４６に導入される。
次いで、第１凝縮器２８では、第１窒素ガス流体と減圧後の第１酸素富化液化流体の一部とを間接熱交換し、第１窒素ガス流体を凝縮液化して第１液化窒素流体を得るとともに、第１酸素富化液化流体の一部を蒸発ガス化して第１酸素富化ガス流体を生成する（第１間接熱交換工程）。
そして、第１液化窒素流体は、ライン３１を介して第１精留塔２２内に導入されて還流液となる。
第１凝縮器２８からライン３８に導出された第１酸素富化ガス流体は、第２精留塔４６の底部に導入される。第２精留塔４６では、第１酸素富化ガス流体の残部と、第１酸素富化液化流体と、第３液化窒素流体と、を低温蒸留することで、塔頂部に濃縮される第２窒素ガス流体と、塔底部に濃縮される第２酸素富化液化流体と、塔中部に濃縮される第３酸素富化液化流体と、に分離する（第２分離工程）。
第２精留塔４６の塔頂部から第２製品回収ライン４８により抜き出された第２窒素ガス流体の一部は、ライン５６に分岐して第２凝縮器５７に導入される。また、第２製品回収ライン４８に導出された第２窒素ガス流体の残部（一部）は、主熱交換器１９に導入され、原料空気と間接熱交換を行うことにより昇温され、第２製品回収ライン４８から第２製品窒素ガスとして導出される（第２製品回収工程）。
なお、第２製品窒素ガスは、導出した圧力のままで供給先に供給することも可能であるが、第１製品窒素ガスに合流させて供給する場合には、窒素ガス圧縮機４９で昇圧してから、第１製品窒素ガスに合流させ、製品回収ライン５０から製品窒素ガスとして供給先に供給してもよい。
また、第２精留塔４６の塔底部に精製された第２酸素富化液化流体は、ライン５１に導出され、減圧弁５２により所定の圧力に減圧された後、第２凝縮器５７に導入される。
第２凝縮器５７では、第２窒素ガス流体の一部と、第２酸素富化液化流体と、を間接熱交換し、第２窒素ガス流体の一部を凝縮液化して第２液化窒素流体を得るとともに、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生成する（第２間接熱交換工程）。
そして、第２液化窒素流体は、ライン５９から第２精留塔４６内に導入され、還流液となる。
第２凝縮器５７からライン６２に導出された第２酸素富化ガス流体は、膨張タービン７２で減圧された第３酸素富化ガス流体とともに、ライン６２から主熱交換器１９に導入され、常温まで昇温された後、一部が精製器１７の再生に用いられ、残部が窒素及び酸素製造装置１０の外部へ排出される。
第１酸素富化ガス流体導入口４７よりも高い位置において、第２精留塔４６と接続された第３酸素富化液化流体導出ライン５３に導出された第３酸素富化液化流体は、減圧弁５４を介して、第３精留塔６４の上部に導入される。
このとき、第２精留塔４６と第３酸素富化液化流体導出ライン５３との接続位置は、第１酸素富化ガス流体導入口４７の位置と比較して、理論段数において数段上であるため、第３酸素富化液化流体に含まれる炭化水素の濃度は塔底部よりも低い値となる。
第３精留塔６４では、減圧後の第３酸素富化液化流体を低温蒸留することで、塔頂部に濃縮される第３酸素富化ガス流体と、塔底部に濃縮される高純度酸素液化流体と、に分離する（第３分離工程）。
先に述べたように、第１精留塔２の塔頂部からライン３３に導出された第１窒素ガス流体の残部は、ライン７９を介して、第３凝縮器８１に導入される。
第３凝縮器８１では、第１窒素ガス流体の一部と高純度酸素液化流体とを間接熱交換し、第１窒素ガス流体を凝縮液化して第３液化窒素流体を得るとともに、高純度酸素液化流体を蒸発ガス化して高純酸素ガス流体を生成する（第３間接熱交換工程）。
そして、第３液化窒素流体は、ライン８３に導出され、減圧弁８５で所定の圧力に減圧された後、第２精留塔４６の塔頂部に還流液の一部として導入される。
なお、第３液化窒素流体は、第２分離工程の原料として第２精留塔４６に供給される。
第３精留塔６４の塔底部に位置する高純酸素液化流体は、第３製品回収ライン７６に導出され、液酸ポンプ７７に導入される。液酸ポンプ７７では、高純酸素液化流体を液状態のまま所定の圧力まで昇圧する（酸素流体圧縮工程）。
その後、高純酸素液化流体は、主熱交換器１９により常温まで昇温され、その後、第３製品回収ライン７６を介して、製品酸素ガスとして回収する（第３製品回収工程）。
なお、第１の実施形態では、液化酸素を気化させる熱源として原料空気を用いるため、液化酸素を気化させる新たな熱源を準備する必要がない。
第３精留塔６４の塔頂部からライン６５に導出された第３酸素富化ガス流体の一部は、主熱交換器１９を介して、膨張タービン７２に導入され、窒素及び酸素製造装置１０に必要な寒冷発生に用いられる（寒冷発生工程）。
そして、第３酸素富化ガス流体の一部は、膨張タービン７２を経由した後、第２凝縮器５７から導出される第２酸素富化ガス流体とともに、一部が精製器１７の再生に用いられ、残部が窒素及び酸素製造装置１０の外部へ排出される。
第１の実施形態の窒素及び酸素製造方法によれば、先に説明した第１の実施形態の窒素及び酸素製造装置１０と同様な効果を得ることができる。
（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態の窒素及び酸素製造装置の概略構成を示す系統図である。図２において、図１に示す第１の実施形態の窒素及び酸素製造装置１０と同一構成部分には同一符号を付す。
図２を参照するに、第２の実施形態の窒素及び酸素製造装置９０は、第１の実施形態の窒素及び酸素製造装置１０を構成する減圧弁６７が設けられた第３酸素富化ガス流体供給ライン６５をライン６２に接続するとともに、さらに、ライン９１及び減圧弁９２を設けたこと以外は、窒素及び酸素製造装置１０と同様に構成されている。
ライン９１は、ライン３８から分岐されたラインであり、主熱交換器１９の前段に位置するライン６２と接続されている。ライン９１には、第１酸素富化ガス流体の一部が供給される。ライン９１には、減圧弁９２が設けられている。
ライン９１は、ライン３８が導出し、かつ減圧弁９２により減圧された第１酸素富化ガス流体を、減圧弁ライン６２を流れる第２酸素富化ガス流体に合流させるためのラインである。
第２の実施形態の窒素及び酸素製造装置９０によれば、膨張タービン７２に供給されるガスが、第１酸素富化ガス流体の一部であることから、第２精留塔４６の下部の精留条件を向上させることが可能となるので、第３精留塔６４へ導入する第３酸素富化液化流体に含まれる炭化水素の濃度をより下げることができる。
また、第２の実施形態の窒素及び酸素製造装置９０の場合も、第１の実施形態の窒素及び酸素製造装置１０と同様に、従来の窒素及び酸素製造装置と比較して、窒素及び酸素製造装置９０の高さを低くすることができる。
なお、第２の実施形態の窒素及び酸素製造方法は、減圧された第１酸素富化ガス流体を、減圧弁ライン６２を流れる第２酸素富化ガス流体に合流させる工程と、ライン９１を流れる第１酸素富化ガス流体の一部を膨張タービン７２に供給する工程と、を有すること以外は、第１の実施形態の窒素及び酸素製造方法と同様な手法により行うことができる。
第２の実施形態の窒素及び酸素製造方法によれば、第３精留塔６４へ導入する第３酸素富化液化流体に含まれる炭化水素の濃度をより下げることができるとともに、従来の窒素及び酸素製造装置と比較して、窒素及び酸素製造装置９０の高さを低くすることができる。
（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態の窒素及び酸素製造装置の概略構成を示す系統図である。図３において、図１に示す第１の実施形態の窒素及び酸素製造装置１０と同一構成部分には同一符号を付す。
図３を参照するに、第３の実施形態の窒素及び酸素製造装置１００は、第１の実施形態の窒素及び酸素製造装置１０の構成にさらに、液化窒素供給ライン１０１と、減圧弁１０２，１０４と、ライン１０３と、製品液化酸素回収ライン１０６と、を有すること以外は、窒素及び酸素製造装置１０と同様な構成とされている。
液化窒素供給ライン１０１は、窒素及び酸素製造装置１００の外部から液化窒素を供給するためのラインであり、減圧弁２６と第１凝縮器２８との間に位置するライン２４と接続されている。
減圧弁１０２は、液化窒素供給ライン１０１に設けられており、液化窒素の圧力を減圧する。
ライン１０３は、ライン３８から分岐されており、ライン６６の分岐位置よりも前段に位置する第３酸素富化ガス流体供給ライン６５と接続されている。
ライン１０３は、ライン３８を流れる第１酸素富化ガス流体の一部を分岐させ、減圧弁１０４を経由後に、第３酸素富化ガス流体供給ライン６５に供給する。減圧弁１０４は、ライン１０３に設けられている。
製品液化酸素回収ライン１０６は、主熱交換器１７と液酸ポンプ７７との間に位置する第３製品回収ラインから分岐されている。製品液化酸素回収ライン１０６は、製品液化酸素を回収するためのラインである。
第３の実施形態の窒素及び酸素製造装置１００によれば、第３酸素富化ガスが供給される第３酸素富化ガス流体供給ライン６５に、ライン１０３を流れる第１酸素富化ガス流体を合流させた後、膨張タービン７３に導入させ、その後、ライン６２に供給することで、窒素及び酸素製造装置１００に必要な寒冷を、第３酸素富化ガスの一部だけでなく、第１酸素富化ガス流体の一部も用いて発生させることができる。
また、寒冷の量が不足した場合は、液化窒素供給ライン１０１を介して、液化窒素を注入することで、寒冷を補給することができる。
さらに、第３の実施形態の窒素及び酸素製造装置１００の場合も、第１の実施形態の窒素及び酸素製造装置１０と同様に、従来の窒素及び酸素製造装置と比較して、窒素及び酸素製造装置１００の高さを低くすることができる。
なお、第３の実施形態の窒素及び酸素製造方法は、第３酸素富化ガスが供給される第３酸素富化ガス流体供給ライン６５に、ライン１０３を流れる第１酸素富化ガス流体を合流させた後、膨張タービン７３に導入させ、その後、ライン６２に供給する工程と、寒冷の量が不足した際に、液化窒素供給ライン１０１を介して、液化窒素を注入する工程と、を有すること以外は、第１の実施形態の窒素及び酸素製造方法と同様な手法により行うことができる。
第３の実施形態の窒素及び酸素製造方法によれば、寒冷不足を解消できるとともに、従来の窒素及び酸素製造装置と比較して、窒素及び酸素製造装置１００の高さを低くすることができる。
（第４の実施形態）
図４は、本発明の第４の実施形態の窒素及び酸素製造装置の概略構成を示す系統図である。図４において、図１に示す第１の実施形態の窒素及び酸素製造装置１０と同一構成部分には同一符号を付す。
図４を参照するに、第４の実施形態の窒素及び酸素製造装置１１０は、第１の実施形態の窒素及び酸素製造装置１０の構成に、さらに、バッファータンク１１１を設けたこと以外は、窒素及び酸素製造装置１０と同様に構成されている。
バッファータンク１１１は、液酸ポンプ７７と主熱交換器１９との間に位置する第３製品回収ライン７６に設けられている。
バッファータンク１１１は、第３製品回収ライン７６を流れる高純度酸素液化流体を一時的に貯留するためのタンクである。
ここで、第４の実施形態の窒素及び酸素製造装置１１０の利点について説明する。
例えば、製品窒素ガスの生産量が５０００Ｎｍ３／ｈの場合、第４の実施形態の窒素及び酸素製造装置１１０で採取可能な製品酸素ガスは２５０Ｎｍ３／ｈ程度となる。
この場合、液酸ポンプ７７の処理量は、１５０Ｎｍ３／ｈとなるが、このような小容量の液酸ポンプは、容積式を選択するのが一般的である。
一般的に、容積式の液酸ポンプは、遠心式の液酸ポンプと比べてメンテナンス周期が短くなるという問題がある。そこで、メンテナンス時等の液酸ポンプの間歇的な運転に備えて、第４の実施形態では、一時的にバッファータンク１１１に高純度酸素液化流体を貯留し、主熱交換器１９に一定量の高純度酸素液化流体を供給することで、窒素及び酸素製造装置１１０の運転を安定化させることが可能となり、製品酸素ガスを安定して供給することができる。
さらに、第４の実施形態の窒素及び酸素製造装置１１０の場合も、第１の実施形態の窒素及び酸素製造装置１０と同様に、従来の窒素及び酸素製造装置と比較して、窒素及び酸素製造装置１００の高さを低くすることができる。
第４の実施形態の窒素及び酸素製造方法は、一時的にバッファータンク１１１に高純度酸素液化流体を貯留する工程を有すること以外は、第１の実施形態の窒素及び酸素製造方法と同様な手法により行うことができる。
第４の実施形態の窒素及び酸素製造方法によれば、製品酸素ガスを安定して供給できるとともに、従来の窒素及び酸素製造装置と比較して、窒素及び酸素製造装置１１０の高さを低くすることができる。
なお、第４の実施形態の窒素及び酸素製造装置１１０の構成要素から液酸ポンプ７７を除いてもよい。
また、第４の実施形態では、一例として、液酸ポンプ７７と主熱交換器１９との間に位置する第３製品回収ライン７６に、バッファータンク１１１を設けた場合を例に挙げて説明したが、液酸ポンプ７７の前段に、バッファータンク１１１を設けてもよい。
さらに、第４の実施形態では、一例として、１つのバッファータンク１１１のみを設けた場合を例に挙げて説明したが、複数のバッファータンク１１１を設けてもよい。
（第５の実施形態）
図５は、本発明の第５の実施形態の窒素及び酸素製造装置の概略構成を示す系統図である。図５において、図１に示す第１の実施形態の窒素及び酸素製造装置１０と同一構成部分には同一符号を付す。
図５を参照するに、第５の実施形態の窒素及び酸素製造装置１２０は、第１の実施形態の窒素及び酸素製造装置１０を構成する液酸ポンプ７７及び第３製品回収ライン７６に替えて、ライン１２１，１２５，１３４と、減圧弁１２２，１２６，１３２，１３５と、加圧式貯槽１２３，１２８と、第３製品回収ライン１３１と、を有すること以外は、窒素及び酸素製造装置１０と同様な構成とされている。
ライン１２１は、一端が第３精留塔６４の底部と接続されており、他端が加圧式貯槽１２３の塔底部と接続されている。ライン１２１は、第３精留塔６４の底部から導出した高純度酸素液化流体の一部を加圧式貯槽１２３内に供給する。
減圧弁１２２は、ライン１２１に設けられており、高純度酸素液化流体の一部を減圧する。
加圧式貯槽１２３は、高純度酸素液化流体の一部を加圧する。
ライン１２５は、減圧弁１２２の前段に位置するライン１２１から分岐されており、加圧式貯槽１２８の底部と接続されている。ライン１２５は、高純度酸素液化流体の残部を加圧式貯槽１２８内に供給する。
減圧弁１２６は、ライン１２５に設けられており、高純度酸素液化流体の一部を減圧する。
加圧式貯槽１２８は、高純度酸素液化流体の残部を加圧する。
第３製品回収ライン１３１は、一端が加圧式貯槽１２８の底部と接続されており、他端が製品酸素ガスの導出口として機能する。第３製品回収ライン１３１の一部は、主熱交換器１９内に収容されている。
減圧弁１３２は、加圧式貯槽１２８の近傍に位置する第３製品回収ライン１３１に設けられている。
ライン１３４は、主熱交換器１９と減圧弁１３２との間に位置する第３製品回収ライン１３１から分岐されており、加圧式貯槽１２３の底部と接続されている。減圧弁１３５は、ライン１３４に設けられている。
上述したように、第５の実施形態の窒素及び酸素製造装置１２０は、液酸ポンプ７７に替えて、２基の加圧式貯槽１２３，１２８を並列接続させた点が、第１の実施形態の窒素及び酸素製造装置１０とは異なる。
表１は、図５に示す２基の加圧式貯槽の運転例を示している。
Figure 0006086272
表１に示すように、２基の加圧式貯槽１２３，１２８のうち、一方の加圧式貯槽が、加圧、送液、減圧、待機を順次行う期間において、他方の加圧式貯槽は、貯液を行う。
第５の実施形態の窒素及び酸素製造装置１２０によれば、２基の加圧式貯槽１２３，１２８を並列接続させて、表１に示すような運転を行うことで、バッチ式で製品酸素ガスを加圧送液することができる。
また、第５の実施形態の窒素及び酸素製造装置１２０の場合も、第１の実施形態の窒素及び酸素製造装置１０と同様に、従来の窒素及び酸素製造装置と比較して、窒素及び酸素製造装置１００の高さを低くすることができる。
なお、第５の実施形態の窒素及び酸素製造方法は、図１に示す液酸ポンプ７７に替えて、並列接続させた２基の加圧式貯槽１２３，１２８を運転する工程を有すること以外は、第１の実施形態の窒素及び酸素製造方法と同様な手法により行うことができる。
第５の実施形態の窒素及び酸素製造方法によれば、バッチ式で製品酸素ガスを加圧送液することができるとともに、従来の窒素及び酸素製造装置と比較して、窒素及び酸素製造装置１２０の高さを低くすることができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
以下、実施例１，２及び比較例について説明するが、本発明は、下記実施例１，２に限定されない。
（実施例１）
実施例１では、図１に示した窒素及び酸素製造装置１０を用いて、製品窒素ガス及び製品酸素ガスを製造するシミュレーションを行った。
図１に示す窒素及び酸素製造装置１０の各測定場所における流体の流量（具体的には、取得した製品窒素ガスの量（第１製品窒素ガスの量と第２製品窒素ガスの量との合計）を１００としたときの各部を流れる流体の流量）、各部の圧力、流体に含まれる酸素組成、及び不純物であるＣＨ４の濃度の各値の結果を表２に示す。
Figure 0006086272
なお、表２に示す各測定場所の符号は、図１に示す符号と対応している。
また、表２及び後述する表３〜５に示す「酸素組成（体積分率）」とは、原料空気を１とした際に、原料空気に含まれる酸素の割合を示している。例えば、表１に示す酸素組成が０．２１０とは、原料空気を１とした際に０．２１０の酸素を含む（言い換えれば、２１．０体積％の酸素を含む）ことをいう。
なお、表３に示すメタン組成も体積分率で示している。
また、実施例１では、図１に示した窒素及び酸素製造装置１０を用いて、表３に示す流体の流量、圧力、及び製品酸素ガスの組成となるシミュレーションを行った際の合計動力（後述する図６に示す比較例の窒素及び酸素製造装置２００の合計動力を１００としたときの相対動力値）を求めた。この結果を表３に示す。
表３において、原料空気の流量、第１製品窒素ガスの流量、第２製品窒素ガスの流量、製品窒素ガスの流量、及び製品酸素ガスの流量は、製品窒素ガスの流量を１００としたときの数値として示す。
Figure 0006086272
（実施例２）
実施例２では、図２に示した窒素及び酸素製造装置９０を用いて、製品窒素ガス及び製品酸素ガスを製造するシミュレーションを行った。
図２に示す窒素及び酸素製造装置９０の各測定場所における流体の流量（具体的には、取得した製品窒素ガスの量（第１製品窒素ガスの量と第２製品窒素ガスの量との合計）を１００としたときの各部を流れる流体の流量）、各部の圧力、流体に含まれる酸素組成、及び不純物であるＣＨ４の濃度の各値の結果を表４に示す。
なお、表４に示す各測定場所の符号は、図２に示す符号と対応している。
Figure 0006086272
また、実施例２では、図２に示した窒素及び酸素製造装置９０を用いて、表３に示す流体の流量、圧力、及び製品酸素ガスの組成となるシミュレーションを行った際の合計動力を求めた。この結果を表３に示す。
（比較例）
図６は、比較例の窒素及び酸素製造装置の概略構成を示す系統図である。
ここで、図６を参照して、比較例の窒素及び酸素製造装置２００の構成について、簡単に説明する。
窒素及び酸素製造装置２００は、図１に示す窒素及び酸素製造装置１０を構成するフィルター１１、原料空気供給用ライン１２、原料空気圧縮機１４、アフタークーラー１６、精製器１７、主熱交換器１９、第１精留塔２２、ライン２４，３１，３３，３５，３８，４１，５９，６８、第１凝縮器２８、第１製品回収ライン３６、第２精留塔４６、第２製品回収ライン４８、製品回収ライン５０、第２凝縮器５７、膨張タービン７２、第３製品回収ライン７６、及び液酸ポンプ７７の他に、さらに、ライン２０１，２０４，２０６，２０７と、減圧弁２０２と、を有した構成とされている。
ライン２０１は、一端が第２精留塔４６の底部と接続されており、他端が第３精留塔６４の塔頂部と接続されている。減圧弁２０２は、ライン２０１に設けられている。
ライン２０４は、一端が第３精留塔６４の塔頂部と接続されており、排気ラインとして機能する。
ライン２０４の一部は、主熱交換器１９内に収容されている。ライン２０４は、ライン６８と接続されている。
ライン２０６は、主熱交換器１９内に位置する原料空気供給用ライン１２から分岐されたラインであり、膨張タービン７２の導入口と接続されている。
ライン２０７は、一端が膨張タービン７２の導出口と接続されており、他端が第２精留塔４６の中部と接続されている。
比較例では、上述した図６に示した窒素及び酸素製造装置２００を用いて、製品窒素ガス及び製品酸素ガスを製造するシミュレーションを行った。
図６に示す窒素及び酸素製造装置２００の各測定場所における流体の流量（具体的には、取得した製品窒素ガスの量（第１製品窒素ガスの量と第２製品窒素ガスの量との合計）を１００としたときの各部を流れる流体の流量）、各部の圧力、流体に含まれる酸素組成、及び不純物であるＣＨ４の濃度の各値の結果を表５に示す。
なお、表５に示す各測定場所の符号は、図６に示す符号と対応している。
Figure 0006086272
また、比較例では、図５に示した窒素及び酸素製造装置９０を用いて、表３に示す流体の流量、圧力、及び製品酸素ガスの組成となるシミュレーションを行った際の合計動力を求めた。この結果を表３に示す。
（実施例１，２及び比較例の結果のまとめ）
以下、表２〜５を参照して、実施例１，２及び比較例の結果について説明する。
実施例１の製品酸素ガスの流量と比較例の製品酸素ガスの流量が同じ量であることが分かる。一方、実施例１と実施例２との製品ガスを比較すると、製品酸素ガスの量が減少しているものの、製品酸素ガスのメタン組成は、表２及び表５と比べて、１０００分の１未満であることが確認された。
また、実施例１，２及び比較例を比較すると、実施例１，２の方が、比較例に比べて第１窒素ガス流体の量が少なくなっていることが分かった。このことから、主熱交換器１９での総熱交換量を減少させることができ、その結果、原料空気の圧力を下げることが可能となっていることが確認できた。
実施例１，２では、比較例と比べると製品（酸素・窒素）あたりの消費動力が減少することが認められた。
図７は、比較例の窒素及び酸素製造装置と実施例１の窒素及び酸素製造装置との高さを模式的に示す図である。図７において、図１及び図６に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。なお、図７では、一例として、製品窒素ガスを５０００Ｎｍ３／ｈを生産可能な比較例の窒素及び酸素製造装置と実施例１の窒素及び酸素製造装置との高さを示す。
図７に示すように、実施例１の窒素及び酸素製造装置１０の高さは２４ｍであり、比較例の窒素及び酸素製造装置２００の高さは３０ｍであった。また、図示してはいないが、実施例２の窒素及び酸素製造装置９０の高さは、実施例１と同じ２４ｍであった。
このことから、実施例１，２の窒素及び酸素製造装置１０，９０では、比較例の窒素及び酸素製造装置２００よりも高さを６ｍ低くすることが可能であることが確認できた。
本発明は、深冷式空気分離方法を用いた窒素及び酸素製造方法、並びに窒素及び酸素製造装置に適用可能である。
１０，９０，１００，１１０，１２０…窒素及び酸素製造装置、１１…フィルター、１２…原料空気供給用ライン、１４…原料空気圧縮機、１６…アフタークーラー、１７…精製器、１８，２６，４４，５２，５４，６７，８５，９２，１０２，１０４，１２２，１２６，１３２，１３５…減圧弁、１９…主熱交換器、２２…第１精留塔、２４，３１，３３，３５，３８，４１、５１，５６，５９，６２，６６，６８，７４，７９，８３，９１，９３，１０３，１２１，１２５，１３４…ライン、２８…第１凝縮器、３６…第１製品回収ライン、４６…第２精留塔、４７…第１酸素富化ガス流体導入口、４８…第２製品回収ライン、４９…窒素ガス圧縮機、５０…製品回収ライン、５３…第３酸素富化液化流体導出ライン、５７…第２凝縮器、６４…第３精留塔、６５…第３酸素富化ガス流体供給ライン、７２…膨張タービン、７６，１３１…第３製品回収ライン、７７…液酸ポンプ、１０１…液化窒素供給ライン、１０６…製品液化酸素回収ライン、１１１…バッファータンク、１２３，１２８…加圧式貯槽

Claims (14)

  1. 窒素及び酸素製造装置を用いて、原料空気を深冷分離することで、窒素及び酸素を製造する窒素及び酸素製造方法であって、
    第１精留塔において、圧縮、精製、及び冷却した前記原料空気を低温蒸留することで、塔頂部に濃縮される第１窒素ガス流体と、塔底部に濃縮される第１酸素富化液化流体と、に分離する第１分離工程と、
    第１凝縮器において、前記第１窒素ガス流体と前記第１酸素富化液化流体の一部とを、間接熱交換し、前記第１窒素ガス流体を凝縮液化して第１液化窒素流体を得るとともに、前記第１酸素富化液化流体の一部を蒸発ガス化して第１酸素富化ガス流体を生成する第１間接熱交換工程と、
    第２精留塔において、塔頂部に濃縮される第２窒素ガス流体と、塔底部に濃縮される第２酸素富化液化流体と、塔中部に濃縮される第３酸素富化液化流体と、に分離する第２分離工程と、
    第２凝縮器において、前記第２窒素ガス流体と前記第２酸素富化液化流体とを間接熱交換し、前記第２窒素ガス流体を凝縮液化して、第２液化窒素流体を得るとともに、前記第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生成する第２間接熱交換工程と、
    第３精留塔において、前記第３酸素富化液化流体を低温蒸留することで、塔頂部に濃縮される第３酸素富化ガス流体と、塔底部に濃縮される高純度酸素液化流体と、に分離する第３分離工程と、
    前記第３精留塔内の底部に設けられ、かつ液相部に浸漬された第３凝縮器において、前記第１窒素ガス流体の一部と前記高純度酸素液化流体とを間接熱交換し、前記第１窒素ガス流体を凝縮液化して第３液化窒素流体を得るとともに、前記高純度酸素液化流体を蒸発ガス化して高純酸素ガス流体を生成する第３間接熱交換工程と、
    前記第３液化窒素流体を前記第２分離工程の原料として前記第２精留塔に供給する工程と、
    熱交換器において熱回収された前記第１窒素ガス流体の残部を、第１製品窒素ガスとして回収する第１製品回収工程と、
    前記熱交換器において熱回収された前記第２窒素ガス流体の一部を、第２製品窒素ガスとして回収する第２製品回収工程と、
    前記第３精留塔の底部から導出された前記高純度酸素液化流体を加圧する酸素流体圧縮工程と、
    前記酸素流体圧縮工程において加圧された前記高純度酸素液化流体を、前記熱交換器において熱回収後に、製品酸素ガスとして回収する第３製品回収工程と、
    を含み、
    前記第２分離工程では、前記第１酸素富化液化流体の残部と、前記第１酸素富化ガス流体と、前記第３液化窒素流体と、を低温蒸留することを特徴とする窒素及び酸素製造方法。
  2. 前記第３分離工程において、低温蒸留する前記第３酸素富化液化流体は、前記第２精留塔の前記第１酸素富化ガス流体の導入口よりも高い位置から導出することを特徴とする請求項１記載の窒素及び酸素製造方法。
  3. 前記第３酸素富化ガス流体の一部を膨張タービンに導入して寒冷を発生させる寒冷発生工程を含むことを特徴とする請求項１または２記載の窒素及び酸素製造方法。
  4. 前記寒冷発生工程において、前記第１酸素富化ガス流体の一部を膨張タービンに導入して寒冷を発生させることを特徴とする請求項３記載の窒素及び酸素製造方法。
  5. 前記酸素流体圧縮工程では、液酸ポンプを用いて、前記高純度酸素液化流体の一部を加圧することを特徴とする請求項１ないし４のうち、いずれか１項記載の窒素及び酸素製造方法。
  6. 前記酸素流体圧縮工程では、加圧式貯槽を用いて、前記高純度酸素液化流体の一部を加圧することを特徴とする請求項１ないし４のうち、いずれか１項記載の窒素及び酸素製造方法。
  7. 前記高純度酸素液化流体をバッファータンクに一時的に貯留する貯留工程を含むことを特徴とする請求項１から６のうち、いずれか１項記載の窒素及び酸素製造方法。
  8. 原料空気を深冷分離することで、窒素及び酸素を製造する窒素及び酸素製造装置であって、
    圧縮、精製、及び冷却した前記原料空気を低温蒸留することで、塔頂部に濃縮される第１窒素ガス流体と、塔底部に濃縮される第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窒素ガス流体と前記第１酸素富化液化流体の一部とを間接熱交換し、前記第１窒素ガス流体を凝縮液化して第１液化窒素流体を得るとともに、前記第１酸素富化液化流体の一部を蒸発ガス化して第１酸素富化ガス流体を生成する第１凝縮器と、
    塔頂部に濃縮される第２窒素ガス流体と、塔底部に濃縮される第２酸素富化液化流体と、塔中部に濃縮される第３酸素富化液化流体と、に分離する第２精留塔と、
    前記第２窒素ガス流体と前記第２酸素富化液化流体とを間接熱交換し、前記第２窒素ガス流体を凝縮液化して第２液化窒素流体を得るとともに、前記第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生成する第２凝縮器と、
    前記第３酸素富化液化流体を低温蒸留することで、塔頂部に濃縮される第３酸素富化ガス流体と塔底部に濃縮される高純度酸素液化流体とに分離する第３精留塔と、
    前記第３精留塔内の底部に、該第３精留塔内に形成された液相部に浸漬されるように配置されており、前記第１窒素ガス流体の一部と前記高純度酸素液化流体とを間接熱交換し、前記第１窒素ガス流体を凝縮液化して第３液化窒素流体を得るとともに、前記高純度酸素液化流体を蒸発ガス化して高純酸素ガス流体を生成する第３凝縮器と、
    寒冷を発生させる膨張タービンと、
    前記第３精留塔の底部から導出された前記高純度酸素液化流体を加圧する加圧機構と、
    前記第１窒素ガス流体、前記第２窒素ガス流体、及び昇圧された前記高純度酸素液化流体の熱を回収し、前記原料空気を冷却する熱交換器と、
    前記熱交換器において熱回収された前記第１窒素ガス流体の残部を、第１製品窒素ガスとして導出する第１製品回収ラインと、
    前記熱交換器において熱回収された前記第２窒素ガス流体の一部を、第２製品窒素ガスとして導出する第２製品回収ラインと、
    前記加圧機構により昇圧された前記高純度酸素液化流体を、前記熱交換器において熱回収後、製品酸素ガスとして導出する第３製品回収ラインと、
    を含み、
    前記第２精留塔は、前記第１酸素富化液化流体の残部と前記第１酸素富化ガス流体と前記第３液化窒素流体とを低温蒸留し、
    前記第３精留塔は、前記第２精留塔の上端よりも低い位置に配置することを特徴とする窒素及び酸素製造装置。
  9. 前記第３精留塔に導入する前記第３酸素富化液化流体を前記第２精留塔から導出する第３酸素富化液化流体導出ラインと、
    前記第２の精留塔に設けられ、前記第１酸素富化ガス流体を前記第２の精留塔内に導入する第１酸素富化ガス流体導入口と、
    を有し、
    前記第３酸素富化液化流体導出ラインは、前記第１酸素富化ガス流体導入口が設けられた位置よりも高い位置で前記第２精留塔と接続されていることを特徴とする請求項８に記載の窒素及び酸素製造装置。
  10. 前記膨張タービンと接続され、前記第３精留塔内の前記第３酸素富化ガス流体を該膨張タービンに供給する第３酸素富化ガス流体供給ラインを有し、
    前記第３酸素富化ガス流体供給ラインは、前記第３精留塔の塔頂部と接続されていることを特徴とする請求項８または９記載の窒素及び酸素製造装置。
  11. 前記膨張タービンに導入する前記第１酸素富化ガス流体を供給する第１酸素富化ガス流体供給ラインを有し、前記第１酸素富化ガス流体供給ラインは、前記第１凝縮器に接続されていることを特徴とする請求項８から１０のうち、いずれか１項記載の窒素及び酸素製造装置。
  12. 前記加圧機構は、液酸ポンプであることを特徴とする請求項８ないし１１のうち、いずれか１項記載の窒素及び酸素製造装置。
  13. 前記加圧機構は、加圧式貯槽であることを特徴とする請求項８ないし１１のうち、いずれか１項記載の窒素及び酸素製造装置。
  14. 前記第３製品回収ラインと接続されたバッファータンクを有することを特徴とする請求項８ないし１３のうち、いずれか１項記載の窒素及び酸素製造装置。
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