JPH03137484A - 空気から窒素を製造するプロセス及び装置 - Google Patents

空気から窒素を製造するプロセス及び装置

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、空気を分離し、廃棄窒素生成物を圧縮してこ
の圧縮された廃棄窒素生成物を蒸留塔に再循環すること
により、高回収率でガス状窒素と必要に応じて液体窒素
を得るための低温過圧プロセス及び装置に関する。
空気を分離して窒素を生成させるプロセスは。
例えばルヘマン（Ｒｕｈｅ＊ａｎｎ）らによる米国特許
第３．２０３，１９３号明細書及びキース（Ｋｅｉｔｈ
）Ｊｒ、による米国特許第３．２１７，５０２号明細書
等に開示されている。これらのプロセスは、生成物の供
給圧力よりやや高い圧力にて単一蒸留塔を操作して行わ
れる。
空気は蒸留塔のサンプにて導入される。蒸留塔から抜き
取られた酸素含量の多い液体空気がフラッシュされて、
窒素生成物オーバーヘッドの一部と間接的に熱交換を行
う、さらに、気化した酸素含量の多い空気（“廃棄窒素
”とも呼ばれる）を膨張させることによってプラントの
冷却が行われる。
こうした方法によれば、最大約３５〜４０モル％の供給
空気を窒素生成物として回収することができる。
パテル（Ｐａｔｅｌ）らによる米国特許第４．４００，
１８８号明細書は、ヒートポンプを使用して窒素を分離
することを開示している。しかしながら、該プロセスは
、極めて多量の窒素〔例えば、　１５，０００，０００
〜２００．ＯＯｏ、０００標ｉ１＄！ｆｔ”／日（ｓｔ
ａｎｄａｒｄ　ｃｕｂｉｃ　ｆｅｅｔ／ｄａｙＨ５ＣＦ
Ｄ）　（すなわち６２５，０００〜８，０００．００Ｏ
５ＣＦ）Ｉ）を製造する場合にのみ原価効率が良い、該
プロセスではオーバーヘッド蒸気を再圧縮して分離を高
めるが、このためには複雑で且つ高価な装置が必要とな
り、従って約１５　、０００　、０ＯＯ５ＣＦＤ　（６
２５、０ＯＯ３ＣＦＨ）以下の範囲の回収に対しては非
経済的となる。
廃棄窒素をターボエキスパンダー中で膨張させて冷却作
用を与える従来の単一蒸留塔システムは。
一般には供給空気を濾過し、供給空気を窒素供給圧力よ
り高い圧力にまで圧縮する。空気は、モレキュラーシー
プ等の吸着手段を使用して二酸化炭素や水分を吸着させ
ることによって精製され９次いでその露点近くにまで冷
却される。これとは別の方法として、二酸化炭素と凝縮
した水分が逆転熱交換器中で除去され、このとき空気と
廃棄流れの通過が交換され、これによって付着した不純
物が廃棄流れ中に気化していき、この廃棄流れが大気中
に放出される。
冷却された空気流れが蒸留塔に供給され、そこで蒸留塔
の底部における酸素含量の多い液体と。
蒸留塔の頂部における実質的に純粋な窒素ガス流れに分
離される。高純度窒素ガスの一部が周囲温度に加温され
、生成物として取り出される。残部は凝縮器に送られて
蒸留塔還流物となる。気化した酸素含量の多い液体（通
常は“廃棄窒素”と呼ばれる）が熱交換器中にて加温さ
れ１次いでターボエキスパンダー中で膨張されてシステ
ムに対する冷却作用を与える。このようなシステムは、
約３５〜４５モル％の供給空気だけを窒素生成物として
回収するのが特徴である。従って、供給空気からの窒素
のモル％回収量が大幅に増大すれば、当業界にとっては
大きな技術的進歩となる。
本発明は、廃棄窒素組成物の流れを圧縮し、それを蒸留
塔に再導入することによって、空気から窒素を高収率で
回収するためのプロセスと装置を提供する。単一蒸留塔
を使用した従来システムよりかなり少ないエネルギーで
、高純度の窒素生成物が得られる。さらに、ターボエキ
スパンダーのワークアウトプット（ｗｏｒｋ　ｏｕｔｐ
ｕｔ）の少なくとも一部により圧縮機が駆動され、これ
によって再循環される廃棄窒素が圧縮される。さらに、
液体窒素を生成物として回収してもよい。
本発明は、ガス状供給空気から窒素を回収するためのプ
ロセスと装置を含んでなる。圧縮された空気を、熱交換
器中にて、窒素生成物流れ及び廃棄窒素流れ（これらの
流れは加温され、必要に応じて１例えば逆転熱交換器中
で処理して不純物が除去される）と突き当てて冷却する
。これとは別に、空気を非逆転熱交換器に送る前に、モ
レキュラーシーブを使用して不純物を除去することもで
きる。
こうして得られた冷却空気を蒸留して、実質的に純粋な
ガス状窒素オーバーヘッドと酸素含量の多い塔底液を生
成させる。窒素オーバーヘッドの一部と酸素含量の多い
塔底液の実質的に全てを凝縮器に進ませ、これによって
液体窒素（その少なくとも一部が還流物として蒸留塔に
戻される）と酸素含量の多いガス（“廃棄窒素”と呼ば
れる）を形成させる。
本発明の１つの態様によれば、廃棄窒素の少なくとも一
部がターボエキスパンダーで膨張されずに、むしろ周囲
温度に加温され、そして圧縮される０次いで、圧縮され
たガスが冷却され、蒸留塔に再循環される。実質的に純
粋な窒素ガスが、供給空気を基準として最大約７０モル
％の量にて回収される。
本発明の他の態様によれば、凝縮器から得られた廃棄窒
素の一部がターボエキスパンダーで膨張されずに、むし
ろ周囲温度に加温されることなく低温圧ｍａａに送られ
る。さらに、ターボエキスパンダーからのワークアウト
プットの一部を低温圧縮機に供給してもよい。
これとは別に、ターボエキスパンダーからのワークアウ
トプットの全てを使用して低温圧１ｉ［を作動させるこ
とによって、さらに多くの窒素生成物を得ることもでき
る。この場合、蒸留塔に供給される追加の液体窒素のよ
うな外部源からの冷却作用がシステムに与えられる。
第１図には本発明の窒素回収システム２が示されており
、供給空気の流れ４が圧縮機６に送られる。圧縮された
空気が、冷却と水蒸気への凝縮のためアフタークーラー
に送られる。その後１分離器８において凝縮液が除去さ
れ、そして空気１０が分離器を出る。空気ｌＯが熱交換
器１２に入り、そこで空気が、酸素含量の多いガスエ４
及び窒素生成物流れ１Ｇとの熱交換関係にて冷却される
。
次いで、冷却された空気１８は任意の気相吸着器２０（
二酸化炭素や炭化水素類等の不純物を吸着する）に入る
。濾過された空気２２が任意の熱交換器２４に進み、そ
こで空気がターボエキスパンダー２８からの酸素含量の
多いガス２６の向流流れと突き当たってさらに冷却され
る。
熱交換器２４を出た冷却された空気３０　（飽和状態に
近く、一部液化している場合もある）は、蒸留塔３２の
中間位置にて蒸留塔に入る。冷却された空気３０が、蒸
留により実質的に純粋なガス状窒素オーバーへラド３４
（蒸留塔３２の頂部から出る）と酸素含量の多い塔底液
３６（蒸留塔の底部から出る）に分離される。液体３６
は、任意の熱交換器３８にて。
酸素含量の多いガス４０及び窒素生成物ガス４２と突き
当たって冷却される。冷却された液体４４は弁４５に進
み、そこで圧力が下げられ１次いでライン４７を介して
凝縮器４６に進み、そこで間接的な熱交換によつてガス
状窒素オーバーへシト３４の一部４８を凝縮させつつ沸
騰する。
沸騰したＭ素含量の多いガス流れ４０が熱交換器３８で
加熱され、そして流れ５４を経て出てい＜、凝縮器４６
を出た凝縮液体窒素５０は分割され１部分５１は必要に
応じて従来の貯蔵設備５２に集められる。
凝縮液体窒素５０の過半量がライン５３を介して蒸留塔
３２に戻り、還流物として作用する。ガス状窒素オーバ
ーヘッドの残部４２は、熱交換器３８にて熱を吸収する
。加熱された窒素１６は、熱交換Ｈ１２においてさらに
熱を吸収し０次いでライン１７を介して窒素回収システ
ム２から取り出されて、窒素生成物として使用される。
凝縮器４６を出た酸素含量の多いガス５４の第１の部分
５５は、熱交換器１２を通過する際に加熱され。
このとき供給空気１０を冷却するよう作用し、そしてラ
イン５６を介して出る。酸素含量の多いガス５４の第２
の部分５８は、熱交換器１２を迂回し、加温されたガス
５６と合流する。酸素含量の多いガス６０はターボエキ
スパンダー２８に入り、はぼ大気圧となるまで膨張され
、これによってシステム２を低温に保持するのに必要な
冷却作用がもたらされる。
ターボエキスパンダー２８を出た膨張ガス２６は、先ず
熱交換器２４において１次いでライン１４を経て熱交換
器１２において、空気を冷却するのに使用される。熱交
換器１２を出たガス１５は“廃棄窒素”と呼ばれている
。一般には廃棄される生成物だからである。第１図に示
されている実施Ｂ様の場合、熱交換器１２は逆転熱交換
器であって、逆転熱交換器においては、熱を交換するた
めに、及び空気から水と二酸化炭素の不純物を付着させ
てからこれらの不純物を廃棄窒素流れ中に気化させるた
めに空気の通過と廃棄窒素の通過が所定時間ごとに交互
に行われる。
酸素含量の多いガス５４の第３の部分６２は、熱交換器
６４にて好ましくは周囲温度に加温される。加温された
ガス６Ｇの一部はターボエキスパンダー２８に入る。第
３部分６２の残部６８は、圧縮［７０により。
蒸留塔３２の運転圧力とほぼ同じか又はやや高い圧力に
圧縮される。圧縮されたガス７１は、アフタークーラー
７２において冷却され、熱交換器６４において低温に冷
却され、そしてライン７４を介して蒸留塔３２の底部に
戻され、そこで“ボイルアップ（ｂｏｉｌ　ｕｐ）”と
して機能する。従って、供給空気からの窒素回収量が増
大する。供給空気を中間位置に、そして酸素含量の多い
再循環流れを底部に供給することにより、これら２つの
流れの入口間にストリッピング部分が可能となるような
複雑な蒸留塔（ｃｏｍｐｏｕｎｄ　ｃｏｌｕｍｎ）が得
られる。
第２図に示した実施態様においては、第１図の熱交換器
６４が取り除かれて、酸素含量の多いガスが　ターボエ
キスパンダー１２８と圧縮機１７０に入る前に、熱交換
器１１２を通りやすくなっている。
窒素生成物１１７は、熱交換器１１２から取り出される
。
さらに詳細には、酸素含量の多いガス１４０が任意の熱
交換器１３８において加温される。酸素含量の多いガス
１５４の第１の部分１５５が熱交換器１１２において加
温され、そこで熱を吸収し、ライン１５６を介して出る
。酸素含量の多いガス１５４の第２の部分１５８は、熱
交換器１１２を迂回して、流れ１５６と合流する０合流
した流れ１６０は、ターボエキスパンダー２８に入り、
はぼ大気圧に膨張して冷却作用を与え、そして任意の熱
交換器１２４　とメインの逆転熱交換器１１２を経てシ
ステムを出る。
酸素含量の多いガス１５４の第３の部分１６２は。
熱交換器１１２を通過して圧縮［１７０に進む０次いで
圧（宿されたガス１７１　は、アフタークーラー１７２
を通り、再び熱交換器１１２を通り、そしてライン１７
４を介して蒸留塔１３２の底部に再循環される。
第３図には、第２図に示した実施Ｂ様と頚債の本発明の
実施態様が示されており、この場合、供給空気の精製が
熱交換器２１２の外部で行われ、従って非逆転熱交換器
が使用されている。
圧縮された供給空気が予備精製ユニット２７７（二酸化
炭素、炭化水素類、及び水蒸気等の不純物を取り除くゼ
オライト物質でつくられた再生可能なモレキュラーシー
ブを含有）に送られる。精製された空気２１０が、熱交
換器２１２を通過し、任意の熱交換器２２４を通過し、
そしてライン２３０を介して蒸留塔２３２の底部に入る
。
さらに、第３図に示した実施態様は、熱交換器２１２を
通過する廃棄窒素生成物の処理に関して第２図に示した
実施！ｉＱ様とは異なる。廃棄窒素生成物２１５の一部
２７６が予備精製ユニット２７７に送られて（通常は予
備精製ユニット２７７に入る前に加熱される）再生ガス
として作用し、そしてライン２７８を介して出る。
第１〜３図に示した実施態様はいずれも、加温された酸
素含量の多いガスの圧縮を行っている。
すなわち、酸素含量の多い廃棄窒素が、圧縮されて再び
蒸留塔に戻る前に、熱交換器により本質的に周囲温度に
加温される。
本発明は、廃棄窒素の再循環流れを圧縮することなく、
窒素回収率を向上させる０本発明のさらに他の態様では
、効率的なプロセスにて回収率の向上を達成する手段と
して、廃棄窒素の冷間圧縮を行っている。
本発明の他の特徴は、ターボエキスパンダーにより膨張
された流れにおいて得られる過剰の冷却エネルギーを利
用すること、及び低温状態にてガスを圧縮する際にシャ
フトワーク（ｓｈａｆｔ　ｗｏｒｋ）を経済的に利用す
ることにある。一般に、蒸留塔の運転圧力が約１１００
ｐｓｉ以上であるようなプラントでは、廃棄窒素のター
ボ膨張（ｔｕｒｂｏｅｘｐａｎｓｉｏｎ）においてプラ
ントの通常の冷却要件を満たすのに充分な、そしてまた
窒素回収率を増大させるために酸素含量の多い相当量の
再循環流れを圧縮するのに充分なエネルギーが得られる
。このようなスキームでは、据え付けなければならない
装置の数は最少に抑えられる０例えば、ターボエキスパ
ンダー・シャフトからコンプレッサー・ホイール（ｃｏ
ｍｐｒｅｓｓｏｒ　ｗｈｅｅ＋）を取り除くことができ
、また酸素再循環流れを圧縮して圧縮された流れを低温
に冷却する前に、酸素再循環流れを周囲温度に加温する
ための熱交換器も必要なくなる。当然のことながら、圧
縮機を駆動するのに廃棄窒素の膨張を利用するこうした
プロセスでは、ターボ膨張に利用できる廃棄窒素の量が
少なくなる。ある点において、酸素含量の多い再循環流
れを圧縮することによる窒素の回収率は、プラントの冷
却要件を満たすのに、また低温圧縮機に対するエネルギ
ーを供給するのに利用できる充分な廃棄窒素が存在して
いる場合に最大となる。この平衡点は、蒸留塔の運転圧
力、プラントの冷却要件（すなわちプラントの大きさと
液体製造要件に関係する）、及びターボエキスパンダー
と低温圧縮機の効率等によって決まる。他にもいくつか
のファクターがあり１例えば、摩擦による圧力降下や、
ターボエキスパンダーと低温圧縮機中に入る流体の温度
の選択等がある。
ターボエキスパンダーのシャフト・アウトプ。
ト（ｓｈａｆｔ　ｏｕｔｐｕｔ）は２つの異なる仕事を
行わせるのに使用される。すなわち、（１）蒸留塔に再
循環される廃棄窒素に対して低温圧縮機を駆動させ。
これによって供給空気から蒸留塔への窒素回収率を向上
させること；及び（２）シャフトエネルギーの一部を周
囲のエネルギー散逸ブレーキ（ｄｉｓｓｉｐａＨｖｅ　
ｂｒａｋｅ）に伝達することによって低温プロセスから
エネルギーを（熱として）除去すること；である。
第４図に示した実施態様は、酸素含量の多い低温ガス（
すなわち、熱交換器で周囲温度に加温されることなく、
低温状態にて圧縮される酸素含量の多いガス）の再循環
を示している。圧縮・精製された供給空気３１０が熱交
１Ａ器３１２において冷却される。冷却された空気３１
０の一部３１４が任意の熱交換器３１６に送られ、そこ
で空気３１４をさらに冷却・凝縮させてからライン３１
８を介して蒸留塔３３２の中間位置に送る。冷却された
空気３１０の第２の部分３２０が蒸留塔３３２のもう１
つの中間位置（但しライン３１８の進入位置より低い）
に直接送られる。
蒸留塔３３２に入る空気は、蒸留塔３３２の頂部を出る
実質的に純粋なガス状窒素オーバーヘッド３３４と蒸留
塔の底部から出る酸素含量の多い塔底液３３６に分けら
れる。液体３３６は、任意の熱交換器３３８にて、酸素
含量の多いガス３４０及び窒素生成物ガス３４２と突き
当たって冷却される。冷却された液体３４４は、弁３４
５によりその圧力が下げられ、ライン３４７を介して凝
縮器３４６に入り、そこで沸騰すると共に１間接的な熱
交換によりガス状窒素生成物３４８の一部を凝縮させる
。
酸素含量の多いガス３４０が必要に応じて熱交換器３３
８により加温され、加温されたガス３０１の一部３０２
が（周囲温度に加温されることなく）圧縮機３７０に入
る０次いで圧縮されたガス３０３が、熱交換器３１２に
おいて冷却された後、ライン３０４を介して蒸留塔３３
２の底部に戻る。加温されたガス３０１の残部３０５は
、熱交換器３１２を通過した後にターボエキスパンダー
３２８に送られる。弁３０６を介して熱交換器３１２の
バイパスが設けられている。
本実節！！様に関して特に重要な点は、ターボエキスパ
ンダー３２８と圧縮機３７０との間にシャフト接合部３
０７が設けられていることである。ある１つの実施態様
においては、ターボエキスパンター３２８のワークアウ
トプットの一部が圧［５３７０を駆動させるのに利用さ
れ、これによって窒素生成物３１７の回収率を増大させ
る。蒸留塔３３２への°°ボイルアップ（ｂｏｉｌ　ｕ
ρ）′流れが得られる。この点において、ワークアウト
プットの一部がエネルギー散逸ブレーキ３０８に向けら
れて、システムから熱が取り除かれ、そしてこの熱が周
囲環境に放出される。
゛°周囲環境（ｓｕｒｒｏｕｎｄ　ｉｎｇｓ）’　とは
、エネルギーと流れのコールドボックス（ｃｏｌｄ　ｂ
ｏｘ）　（図示せず）の境界から外側を意味する。エネ
ルギー散逸ブレーキ３０８は、圧縮機であっても、ポン
プであっても１発電機であっても、これらに類似の装置
であっても、さらには回転部品のベアリングにおける摩
擦力であってもよい０重要なことは１本システムでは必
要なエネルギーを周囲環境に放出して低温圧縮プロセス
が冷却状態を保持するようにしていることである。
第４図に示したプロセスは、プラントを冷却するための
“エネルギー散逸”ブレーキを供給するのにターボエキ
スパンダーのシャフトアウトプット（ｓｈａｆｔ　ｏｕ
ｔｐｕｔ）の一部を必要とするけれども。
第５図のプロセスはエネルギー散逸ブレーキを必要とし
ない、なぜなら、外部源から冷却作用が与えられるから
である。ターボエキスパンダーの全シャフトアウトプッ
トを、圧縮機を駆動させるのに使用することができ、こ
れによって蒸留塔に供給される空気からの窒素の回収率
をさらに高くすることが可能である。第５図に示されて
いる低温圧縮の実施態様においては１ターボエキスパン
ダー４２８から得られるワークアウトプットの全てが圧
縮＠４１０に供給される。このことにより、高い回収率
の窒素生成物４１７を得ることができる。なぜなら、蒸
留塔３２においてより一層高いボイルアップ流れが達成
されるからである。この点において、冷却作用は１例え
ば液体窒素を外部源４７１から蒸留塔４３２に供給する
ことによってシステムに与えられなければならず、エネ
ルギー散逸ブレーキは存在しない。
第５図のプロセスに対する冷却作用を与える外部ａ４７
１が、プラントの所望ガス状生成物の純度付近において
液体窒素である場合、プラントのガス状窒素生成物は比
例的に増大する。外部源からの冷却作用の程度は、プラ
ントのコールドボックス境界におけるプラント流体流れ
に関係した熱放散（ｈｅａｔ　１ｅａｋ）　とエンタル
ピーの関数である。
第５図に示されている本発明の必須要件は、圧縮ｍ４１
０をターボエキスパンダー４２８に連結することによっ
て廃棄窒素の低温圧縮が達成されるという点である（こ
のことは、冷却作用を与える外部源を設けることによっ
て可能となる）、このようなスキームは、冷却用物質４
７１（例えば液体窒素）を供給するコストが減少し、そ
してこれらの液体に対する製造プラントがより大きくな
り且つより効率的となったので、工業的に強い関心がも
たれている。
ターボエキスパンダー４２８の全アウトプットを使用し
て圧縮された廃棄窒素を再循環することによって窒素回
収率の増大が可能になると、さらに供給された液体冷却
剤４７１の単位景当たりの窒素ガスの量も増大する。
第５図に示したプロセスの他の利点は、わずか２つの低
温機械だけが必要とされる（共通のシャフトによって接
続されているのが好ましい）という点である。第４図の
場合におけるエネルギーｔ＆逸装置を組み込んだａ械的
複雑さはなくなる。さらに第４図と第５図の場合、供給
空気の予備精製は、逆転熱交換器に代わる好ましい代替
手段となっている。
低温圧縮（図示せず）の他の実施態様においては、この
ような圧縮に対するエネルギーは外部源（例えば電動機
）から得られる。電動機を使用すると、プラントに対す
る冷却必要量が増す、しかしながら、これらの冷却必要
量は、シャフトエネルギーを低温圧縮機に供給する必要
のないターボエキスパンダーによってまかなわれる。し
かしながら、もう−度繰り返すが、低温圧縮により窒素
の回収率が増大すると、ターボ膨張に利用できる廃棄窒
素の量は減少する。廃棄窒素の量がプラントの冷却必要
量を満たすのに必要な量まで減少すると（低温圧縮機を
駆動している外部エネルギー源からのものも含む）、窒
素の回収率は最大となる。
ス、ｋｔ庄１ 第１図に従って、　１１４．７ｐｓｉａにて１１０．０
００標準ｆｔ’／ｈｒ（ＳＣＦ）Ｉ）の割合で実質的に
純粋な窒素を回収するためのプロセスを実施した。　５
ＣＦＨは、　７０”　Ｆ１４．７ρｓｉａにてガスとし
て測定された物質を表わす。
１８５、１６９ＳＣＦＨの供給空気流れを１２５．３ｐ
ｓｉａの圧力に圧縮し、１００°Ｆの温度に後冷却し、
そして熱交換器１２にて冷却した。冷却された空気を、
ライン１８を介して、　１８３，３３６ＳＣＦＨの割合
及び−２６５，８°Ｆの温度にて、不純物を除去するた
めの気相吸収器２０に送り、そして熱交換器２４に送っ
てさらに冷却した。　０．０３モル％の液体含量を有す
る冷却空気（−２６９，６°Ｆ、　１２２．２ｐｓｉａ
）を、蒸留塔３２の高めのトレー（すなわち中間位置）
に送った。
蒸留塔３２の頂部から出た圧力１１９．１ｐｓｉａ及び
温度−２７８，４°Ｆのガス状窒素を熱交換器３８に送
り。
そこで窒素を−２６８，５°Ｆに加温した。　１０９．
９８Ｏ５ＣＦＨの流れを熱交換器１２にて加温した。こ
うして得られた最終生成物を、　９４．６°Ｆの温度及
び１１８ｐｓｉａの圧力にて冷却して、圧縮した全空気
を基準として約５９モル％の窒素回収率を得た。
凝縮器４６からの酸素含量の多いガスを、　１４２，０
３６５ＣＦＨの割合にて熱交換器３８に通した。この流
れの一部（６８、７０ＯＳＣＦＨ）を完全に熱交ｔａ器
６４に通し、そこで周囲温度に加温した。次いで加温さ
れたガスを１２３．３ｐｓｉａに圧縮し、そして１００
”　Ｆに後冷却した。冷却されたガスが再び熱交換器６
４に入り。
１２２．５ｐｓｉａの圧力にて−２５７，３°Ｆに冷却
され、蒸留塔３２の底部に送られる。
熱交換器３８を出た酸素含量の多いガスの残部は熱交換
器６４．熱交換器１２．及びバイパスライン５８の間に
分けられてターボエキスパンダー２８とそのバイパスに
供給ガスを与える（圧力５１．４ｐｓｉａ及び温度−２
３５°Ｆにてトータル７３，３３６ＳＣＦＨ）　、ガス
６０の６０．７９Ｏ３ＣＦＨの流れがターボエキスパン
ダー２８を通過して必要な冷却作用を与える。ターボエ
キスパンダーからの排気ガスとバイパスからのガスがラ
イン２６にて合流し、そして熱交換器２４と１２におい
て加温される。
ス五１す％ 第４図のプロセスに従って２５．０ＯＯ５ＣＦＩ＋の窒
素流れを生成させ１　このときターボエキスパンダー３
２８からのワークアウトプットの一部を　シャフト３０
７を介して圧縮機３７０に送り、そしてワークアウトプ
ットの残りをシステム外に伝達した。
５１　、５４６ＳＣＦＨの空気流れを１３３ｐｓｉａの
圧力にて供給し、熱交換器３１２を通過させた０次いで
１０３６５ＣＦＨの冷却された空気を熱交換器３１６に
送って凝縮させてから、蒸留塔３３２の中間位置に導入
した。
冷却された空気の残りは、蒸留塔３３２におけるライン
３１８の導入位置より下の高めのトレーに直接導入した
。蒸留塔３３２の生成物は、　６５，７５８ＳＣＦＨの
窒素ガス（そのうちの４０．７５８５ＣＦＨが凝縮器３
４６で凝縮した後に還流物として戻される）及び３６，
２１１ＳＣＦＨの酸素含量の多い液体３３６である。酸
素含量の多い液体３３６を熱交換器３３８にて過冷却し
、約６８ｐｓｉａに絞って凝縮器３４６にて沸騰させる
。沸騰した酸素含量の多いガス３４０４２５．０ＯＯ５
ＣＦ）Ｉの窒素生成物３４２を、熱交換器３３８中で加
温した。加温された窒素生成物は、メインの熱交換器３
１２に入り１周囲塩度に加温され、そしてライン３１７
を介してシステムを出る。
酸素含量の多いガスは、ターボ膨張のための部分、及び
蒸留塔に送られる再循環ガスの低温圧縮のための部分（
それぞれ２６．５４６ＳＣＦＩ＋及び９，６６５ＳＣＦ
Ｈ）に分けられる。再循環ガスは、　１３０ｐｓｉａに
圧縮され、熱交換器３１２にて冷却され、そして蒸留塔
３３２の底部に導入されて“ボイルアンプ”となる、タ
ーボエキスパンダー３２８に送られるガスは、先ず熱交
換器３１２にて部分的に加熱され、そしてターボエキス
パンダー３２８において約１８ｐｓｉａに膨張される０
次いでこのガスは、熱交換器３１６と３１２を通過して
冷却作用を与え、そしてプラントの廃棄窒素生成物とな
る。
これらの手段により、供給空気に対して約４８．５モル
％の窒素回収率が得られた０本プロセスに従えば、プラ
ントの規模、低温圧縮機とターボエキスパンダーの効率
、蒸留塔の運転圧力、蒸留塔中のトレーの数、及び所望
する窒素の純度等に応じて９種々の回収率が達成できる
。
本実施例２においては、ターボエキスパンダー３２８に
よって生成されるシャフトワークの一部を周囲環境に、
そして一部を低温圧縮機３０３に伝達しなければならな
い。ブレーキ３０８によって周囲環境に伝達されたシャ
フトワークは、プラントを冷却するのに必要な冷却作用
を果たす。
！崖貫主 第５図のプロセスに従い、窒素の回収率を最大にするた
めに、ターボエキスパンダー４２８からのワークアウト
プットの全てを使用して圧縮機４７０を作動させたこと
以外は、実施例２と同じ手順に従って行った。充分に断
熱処理されたコールドボックスの場合、　９４９３ＣＦ
Ｈの液体窒素が蒸留塔４３２の頂部に加えられて冷却作
用が得られる０本システムにおいて５１．５４６３ＣＦ
）Ｉの供給空気を処理して最高３０．０ＯＯ５ＣＦＨの
窒素生成物４１７が得られ、この結果、供給空気の窒素
回収率は約５８モル％となった。
本発明を使用すれば、最高７０モル％のオーダーで実質
的に純粋な窒素生成物（必要に応じてガス・液体のいず
れも形態でも）が回収される。プラントの規模が小さく
なるにつれて（特に８００．０００５ＣＦＨ未満）、本
発明は標準的な蒸留塔リボイラーが存在しないことによ
り、また圧縮装置を構成しているヒートポンプ回路が安
価であることにより。
より一層原価効率が良くなる。
本発明の実施態様に対しては１ターボエキスパンダーは
単一であることが必須ではない、実際プラントの冷却要
件を満たす１つのターボエキスパンダー、及びより高い
窒素回収率を与えるために蒸留塔への再循環を行わせる
ための圧縮機を駆動する他のターボエキスパンダーが組
み込まれることも本発明の範囲内である。さらに他の組
合わせも考えられる０本発明における必須の構成要件は
１本プロセスにおいて生成されるシャフトエネルギーを
使用して、酸素含量の多い再循環塔底液の低温圧縮を行
うことである。
本発明の特定の実施態様について説明してきたが９本発
明がこれに限定されるものではないことは言うまでもな
い、なぜなら、多くの変形が可能であり、このような変
形も本発明の特許請求の範囲に規定されている範囲内だ
からである。
【図面の簡単な説明】
第１図は、複数の熱交換器と逆転熱交換器を使用してい
て、全廃棄窒素流れが加温され、加温された生成物の一
部が圧縮され、そして蒸留塔に戻される。という本発明
の１つの実施態様を示す概略図である。 第２図は、１つ少ない熱交換器を使用した加温圧縮サイ
クルの他の実施態様を示す概略図である。 第３図は、非逆転熱交換器と空気を精製するためのモレ
キュラーシーブを使用した加温圧縮サイクルの他の実施
態様を示す概略図である。 第４図は、廃棄窒素再循環流れの低温圧縮を使用してい
て、このときエキスパンダーからのワークアウトプット
の少なくとも一部を使用して低温再循環圧縮機が作動さ
れる。という本発明の他の実施態様を示す概略図である
。 第５図は、ターボエキスパンダーからの全ソヤフトワー
クによる廃棄窒素再循環流れの低温圧縮を使用していて
、このとき外部源によって冷却作用が与えられる。とい
う本発明の他の実施態様を示す概略図である。 ｒＩＩＪ面の浄書（丙容に変更なし） （外・１名） 手 続 補 正 書

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、（ａ）ガス状の供給空気を圧縮する工程； （ｂ）熱交換器にて、前記圧縮空気を酸素含量の多い流
    れ及び窒素生成物流れと突き当てて冷却する工程； （ｃ）前記の冷却・圧縮された空気を単一蒸留塔の中間
    位置に導入する工程； （ｄ）実質的に純粋なガス状窒素オーバーヘッドと酸素
    含量の多い塔底液を前記蒸留塔から分離する工程； （ｅ）酸素含量の多い塔底液の実質的に全てとガス状窒
    素オーバーヘッドの一部を凝縮器に送り、そこで塔底液
    とオーバーヘッドとの間で間接的に熱交換を行わせ、こ
    れによって沸騰を起こさせて酸素含量の多いガス流れを
    、そして凝縮を起こさせて液体窒素流れを得る工程； （ｆ）過半量の前記液体窒素流れを還流物として前記蒸
    留塔の頂部に再循環する工程； （ｇ）前記酸素含量の多いガス流れの少なくとも第１の
    部分を圧縮し、この圧縮された酸素含量の多いガス流れ
    を前記蒸留塔の底部に再循環し、これによって空気から
    の窒素生成物回収量を増大させる工程； （ｈ）熱交換器にて、ガス状窒素オーバーヘッドの残部
    を前記圧縮空気と突き当てて加温する工程；及び （ｉ）加温された前記窒素オーバーヘッドを実質的に純
    粋な窒素生成物として前記熱交換器から回収する工程； の各工程を含む、過圧にて空気から実質的に純粋な窒素
    生成物を回収するプロセス。 ２、逆転熱交換器にて不純物を付着させることによって
    工程（ｂ）の圧縮空気を精製する工程をさらに含む、請
    求項１記載のプロセス。 ３、凝縮器を出る半量未満の前記液体窒素流れを窒素生
    成物として回収する工程をさらに含む、請求項１記載の
    プロセス。 ４、凝縮器を出る前記酸素含量の多いガス流れの第２の
    部分を膨張手段にて膨張させ、これによって本プロセス
    に対する冷却作用を与えるためのワークアウトプットを
    生成させる工程をさらに含む、請求項１記載のプロセス
    。 ５、凝縮器を出る前記酸素含量の多いガス流れの第３の
    部分を、前記第２の部分と合流させる前に且つ合流物を
    膨張させる前に、熱交換器にて前記圧縮空気と突き当て
    て加温する工程をさらに含む、請求項４記載のプロセス
    。 ６、前記第２部分の一部だけが膨張され、同時に前記第
    ２部分の残部が前記膨張手段を迂回する、請求項４記載
    のプロセス。 ７、工程（ｇ）における酸素含量の多いガス流れの前記
    第１部分が本質的に周囲温度にて圧縮される、請求項１
    記載のプロセス。 ８、工程（ｇ）における酸素含量の多いガス流れの前記
    第１部分がほぼ蒸留塔の温度にて圧縮される、請求項１
    記載のプロセス。 ９、蒸留塔の底部に再循環される酸素含量の多いガス流
    れの前記第１部分を、前記膨張手段から得られるワーク
    アウトプットの一部を使用して圧縮する工程をさらに含
    む、請求項４記載のプロセス。 １０、前記膨張手段からのワークアウトプットの一部を
    本プロセスから取り出す工程をさらに含む、請求項４記
    載のプロセス。 １１、ワークアウトプットの取り出された前記部分が熱
    又は仕事として周囲物体に移行される、請求項１０記載
    のプロセス。 １２、全てのワークアウトプットが、前記蒸留塔の底部
    に再循環される酸素含量の多いガス流れの前記第１部分
    を圧縮するのに使用され、本プロセスに対して外部源か
    ら冷却作用を与える工程をさらに含む、請求項４記載の
    プロセス。 １３、本プロセスに冷却作用を与える前記工程が、蒸留
    塔に液体窒素を加えることを含む、請求項１２記載のプ
    ロセス。 １４、前記ガス状供給空気を前記熱交換器の外部にて精
    製する工程をさらに含む、請求項１記載のプロセス。 １５、前記の外部精製手段がゼオライト物質を含んだ再
    生可能なモレキュラーシープである、請求項１４記載の
    プロセス。 １６、工程（ｇ）における酸素含量の多いガス流れが前
    記蒸留塔の圧力よりやや高い圧力に圧縮される、請求項
    １記載のプロセス。 １７、（ａ）ガス状供給空気の圧力を増大させるための
    第１の圧縮機； （ｂ）蒸留された供給空気の生成物を使用して前記の高
    圧空気を冷却するための熱交換器； （ｃ）前記の冷却された空気を実質的に純粋なガス状窒
    素オーバーヘッドと酸素含量の多い塔底液に分離するた
    めの蒸留塔； （ｄ）前記ガス状窒素オーバーヘッドの少なくとも一部
    を凝縮させて液体窒素流れを形成させ、そして酸素含量
    の多い塔底液との間接的な熱交換によって酸素含量の多
    いガス流れを形成させるための凝縮器； （ｅ）過半量の低温液体窒素流れを前記凝縮器から前記
    蒸留塔に還流物として戻すための第１の再循環手段； （ｆ）前記凝縮器からの酸素含量の多い前記ガス流れの
    圧力を増大させるための第２の圧縮機；及び （ｇ）酸素含量の多い前記高圧ガス流れを前記蒸留塔の
    底部に戻すための、そしてこれによって窒素生成物の回
    収量を増大させるための第２の再循環手段； を含んでなり、このとき窒素生成物が前記第１の熱交換
    器から回収される、空気から窒素生成物を製造するため
    の装置。
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