JPS5840480A - 窒素製造装置 - Google Patents

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】 本発明は空気を液化精溜分離して窒素ガスおよび液体窒
素を製造する装置に関し、詳しくは需要変動に応じて窒
素ガスと液化窒素との比率を任意の割合で変更して製造
し得る装置に関し、更には需要変動に応じて供給量を自
動的に追従変化して窒素ガスを供給し得る装置に関する
。

空気を液化精溜によシ分離して窒素を製造する装置に於
て、需要変動に応じて製造・供給する窒素ガス量を調節
する場合、通常は窒素ガスの需要変動に応じて原料空気
量を変動させるかまたは原料空気量を変動させず、需要
低下時には余分の窒素を液化貯溜しておき、需要増大時
には蒸発気化させて供給する方法によっている。しかし
前者の方法は効率的でなく、また後者の方法もガス採取
量と液採取量の比率の変更の巾が狭く且つその変更操作
を自動化しにくい九めに、運転操作を人為的に行なわな
ければならない等の不都合があった。

本発明は上記従来装置の不都合に嫌み、液−ガス併産方
式の窒素製造装置に於て、精溜塔圧力を検出してこれを
制御する手段を設けることによりガス窒素と液化窒素の
製造比率を需要に応じて変化させ得る様にした装置に関
する。更には上記精溜塔圧力を検出してこれを制御する
手段を自動制御機構とし、他の自動制御機構と併せて構
成することによりガス窒素の需要量に自動追従して窒素
ガスを製造供給して余分の窒素は液化窒素として貯溜し
、１＋は窒素ガスと少量の液化窒素を製造すると共に前
記貯溜液化窒素を気化して併せて供給する装置に関する
っ即ち手動ま九は自動による精溜塔圧力制御機構、精溜
塔下部又Ｆｉ精溜塔下部ど凝縮器の液面制御機構、分離
器発生窒素ガス流量（圧力）制御機構、蒸発窒素ガス送
出圧力制御機構を装備し更には膨張タービン入口圧力制
御機構を備えることにより手動により窒素ガス採取量と
液化窒素採取量の比を変更するかまたは全く人的制御・
操作を必要とせず窒素ガス需要量の変動に追従して窒素
ガス製造量を自動的に変化させて供給することが出来る
様にした装置に関する。以下本発明を実施例によシ図に
従って詳細に説明する。

第１図において管１より導入され九原料空気は空気圧、
縮機２により所定の圧力（５−１０Ｋｔ／ｃＩＩＧ）Ｋ
昇圧され食後、管３を経てフロン冷却器４に入って約５
Ｃ迄冷却されて導出し、管５より切替え使用し対でなる
吸着器６および６′に入って含有する水分および炭酸ガ
スを除去されて導管７に導出する。導管７の精製空気は
次いで熱交換器８および９に入り向流する低温ガスと熱
交換して温度降下しほぼ液化温度で導出し、管１ｏを経
て精溜塔１１の下部に導入される。該精溜塔１１に於て
精溜が行なわれ該塔上部には高純度の窒素、下部には酸
素濃度の高い液化空気が溜る。精溜塔１１上部に集つ九
窒素ガスは管１２により導出され念後二分してその一方
は管１３を経て前記熱交換器８に導入され向流する前記
精製空気と熱交換して昇温し、管１４、後記する流量制
御機構用オリフィス１５および送出弁１６を経て管１７
より製品窒素ガスとして需要先へ送られる。二分した他
の一方の窒素は管１８よシ凝縮器１９に導入され、該凝
縮器１９内に於て前記精溜塔７下部よシ導出され管２０
、膨張弁２１、管２２を経て導入される酸素濃度の高い
液化空気と熱交換して液化窒素となる。この様にして生
成した液化窒素は凝縮器１９よ導管２３によシ導出して
二分しその一方は管２４、後記する制御弁２５を経て液
化窒素貯槽２６に入り製品液化窒素として貯蔵される。

該貯槽２６に貯えられた液化窒素は窒素ガスの需要量の
増大に応じて管２７よル導出されて蒸発器２８で気化し
、管２９、後記する蒸発窒素ガス圧力制御機構用制御弁
３０、管３１を経て前記管１７に合流して需要先へ送ら
れる。凝縮器１９より導出して二分・し友液化窒素の他
の一方は管３２よシ精溜塔１１上部に導入され精溜用還
流液となる。

次に管２２より凝縮器１９に導入された液化空気は、管
１８よりの窒素と熱交換して気化し管３３より導出する
、次いで管３４より熱交換器９に導入されて向流する前
記精製原料空気と熱交換して自身は昇温し、管３５へ導
出して膨張タービン３６に導入され膨張、温度降下した
後、管３７より再び熱交換器９に入って向流する精製原
料空気と熱交換し、管３９へ導出して更に熱交換器８に
入って精製、原料空気と熱交換し、はぼ常温近く迄昇温
して管４０へ導出する。肢管４ｏの酸素富化空気は一部
が管４１、弁４２を経て大気へ放出され、残部は加熱器
４３に導入され所要温度に昇温後、管４４より前記切替
え使用される吸着器６および６′の再生周期にある方に
導入され、前周期で吸着した水分および炭酸ガスを伴っ
て管４５より大気中へ放出される。

以上は原料空気を精製冷却し単精溜塔に導入して液化精
溜により窒素を製造する通常の装置であるが、次に本装
置に装着した需要変動に応じて製造・供給する窒素ガス
量と液化窒素量の比率を調節する制御機構について説明
する。

まず第１の発明は上述の窒素製造装置に設けられた精溜
塔圧力制御手段である。例えば精溜塔λ１下部に低温空
気抜出管５０を設け、これを膨張タービンへの送出系路
と連設し肢管５０に流量制御弁５１を設け、精溜塔圧力
の変化を検出して、これに応じて前記流量制御弁５１の
開度を調節することにより精溜塔１１下部より低温空気
を導出しその流量を制御し得る様にしたことである。こ
の導出した低温空気は膨張タービンへ送出される空気と
共に熱交換して昇温し、膨張タービンにより膨張、温度
降下後、原料精製空気と熱交換してこれを冷却し自身は
昇温して放出される。従って例えば需要低下により楕溜
塔圧が上昇し前記抜出管５０より導出する低温空気量を
多くするとタービン３６による発生寒冷が増加し、精溜
塔１１底部および凝縮器１９に於ける液面上昇となって
表れる。そこで制御弁２５の開度を調節して余剰寒冷量
に見合う液化窒素を凝縮器１９よ）貯槽２６へ抜き出す
。この様に精溜塔圧力制御手段が需要変動に応じて窒素
ガスと液化窒素の比率を追従変化させることの出来る基
本構成である。この場合精溜塔圧力計を人間が監視し、
精溜塔１１の内圧の変化に応じて上記流量制御弁５１を
手動によって操作しても良いが、圧力計を圧力検知制御
器〔ＰＩＯ−１）とし、該制御器（ＰＩＯ−１）によシ
流量制御弁５１を自動制御すれば人的操作を必要としな
い精溜塔圧力制御機構とすることが出来る。

更に第２番目の発明は前記装置に装着された５ケの制御
機構により構成され、これによって需要変動に応じて全
く自動追従して窒素ガスを製造・供給することを可能と
したものである。第１の制御機構は上記精溜塔圧力制御
機構であり第２は精溜塔１１よシ導出する製品窒素ガス
系統にとりつけた分離器発生窒素ガス流量制御機構（Ｆ
ＩＯ−２〕である。即ち精溜塔１１上部より導出し、熱
交換器８にてほぼ常温となり管１４を経て導出される分
離器発生窒素の流量を検出する九め肢管１４に設けられ
たオリフィス１５、該管１４内を流れる製品窒素量（分
離器発生窒素ガス流量）を制御する制御弁１６、オリフ
ィス１５により検出し喪流量により該制御弁１６の開度
を制御する流量検知制御器ＣＦＩＯ−２）である。第３
は精溜塔１１下部に溜る液の液面制御機構である。即ち
精溜塔下部に溜る酸素富化液体空気の液面を検出する液
面計５２、該液面計５２よりの信号により前記凝縮器１
９より貯槽２６に導入される液体窒素の量を制御する制
御弁２５の開度を制御する液面検知制御器（ＬＩＯ−３
）である。

上記３ケの制御機構（よシ窒素ガスの需要量が少ない時
は自動的に液化窒素を増産することが出来、且つ需要量
の犬なる時は前記窒素分離器の仕様値の範囲に於て自動
的に窒素ガスを増産できる。

即ち該窒素分離器の仕様値に対して０〜１００％の送ガ
ス量の対応が可能である。

本発明装置は更に２ケの制御機構が装着されている。即
ち第４は該窒素分離器の仕様値即ち精溜塔１１よシ導出
する窒素ガスの仕様値より需要量が多い時に、前記液化
窒素貯槽２６より自動的に液化窒素を導出、蒸発気化し
て窒素ガスとして供給する制御機構であり、前記管２９
に設けられた制御弁３０、管３１の窒素ガス圧を検出し
て該制御弁３０の開度を制御する圧力検知制御器［ＰＩ
Ｏ−４〕である。第５は前記膨張タービン３６に導入さ
れるガス量が増大し、その人口圧力が上昇以上のガスを
自動的にバイパスさせる制御機構であり、前記管３５よ
り分岐し管３７に入るーバイパス管５３の途中に設けら
れた流量制御弁５４、管３５のガス圧を検出して該制御
弁５４の開度を制御する圧力検知制御器（ＰＩＯ−５）
である。但し該制御器ＣＰＩＯ−ｓ）は膨張タービン３
６を充分大盤にすれば不要である。

次に上記制御機構により窒素ガスの需要変動に応じて本
発明による窒素製造装置が自動的にその製造・供給量を
変更する作動状態を説明する。まず窒素ガスの需要量が
少ない場合需要先の弁が閉じられ、管１７，１４，１３
．１２セして精溜塔１１の圧が上昇する。精溜塔圧力１
１が上昇すると前記圧力検知制御器（ＰＩＯ−１３がこ
れを検知し圧力が一定になる様制御弁５１を開き精溜塔
１１下部よシ低温空気を抜き出し、且つその量の調節を
行う。該制御弁５１を経て送出された低温空気は前記凝
縮器１９で気化し管３３を経て送出されて来九酸素富化
空気と合流し、熱交換器９で昇温後膨張タービン３６に
導入される、このため膨張タービン３６の処理量が増加
し、寒冷の発生量が増える、従って精溜塔１１下部また
は凝縮器１９に溜る液体の液面上昇となって表れる。前
記液面計５４に表れ喪液面上昇は前記液面検知制御器［
：ＬＩＯ−３）で検出し制御弁２５の開度を制御し余剰
寒冷量に見合う液化窒素を凝縮器１９より貯槽２６へ抜
き出す。窒素ガスの需要が極端に少なくなると前記圧力
検知制御器（ｐｚｏ−１）により膨張タービン３６の仕
様量を越えるガスが該膨張タービン３６を流れようとす
るため膨張タービン３６人口圧力が上昇する。これを前
記圧力検知制御器ＣＰＩＯ−５）が検出しバイパス弁６
００開度を制御して前記入口圧力が一定になる様該バイ
パス弁６０を流れるガス量を調節する。次に窒素ガスの
需要量が増えた場合、需要先の弁が開けられ送出窒素ガ
スが増えると精溜塔１１内の圧が下がる傾向となるが前
記圧力検知制御器〔ＰＩＯ−１１により一定値に保木れ
る。ｔた送出窒素ガスが仕様値（流量検知制御器（ＰＩ
Ｏ−２）の設定値）を越えない様、流量検知制御器（Ｆ
ＩＯ−２〕により送出弁１６の開度が調節される、これ
により製品窒素ガスが仕様値を越えて精溜塔１１から抜
き出されることが無く、窒素ガスの純度も所定Ｏ値が保
持される。更に需要量が増え九場合、管１７．管３１の
圧が低下するが、前記圧力検知制御器ＣＰＩＯ−４）が
管３１の圧を検出し、制御弁３０の開度を調節し、送出
圧力が一定になる導管３１の窒素ガス流量を制御する。

即ち制御弁３０が開かれると需要量が少ない時貯槽２６
に貯蔵されていた液化窒素が管２７より蒸発器２８に導
出され、ここで蒸発、気化して管２９゜管３１を経て管
１７へ合流需要先へ送られる。従って本発明装置によれ
ば窒素ガスの需要量Ｏから該窒素分離器仕様値量と蒸発
器仕様値量の双方の合計量迄の間の窒素ガス需要量の変
動に自動追従させることが出来る。

なお前記精溜塔圧力制御機構に於て、精溜塔内ガスの抜
出し管５０の取シ付は位置は第１図の如く精溜塔１１下
部ではなく、精溜塔１１上部あるｉた精溜塔１１下部へ
導入する原料精製空気を導管１０より分岐しても同様な
効果が得られる。また前記膨張タービン入口圧力制御機
構に於て、制御弁５４の出口を管３７にではなく管３９
に接続しても同じ効果が得られる。更にｔｅ前記製品窒
素ガス流量制御機構に於て、管１４を流れる窒素ガスの
流量検出器、オリフィス１５およば流量検知制御器ＣＦ
ＩＯ−２）は圧力検出器および制御器であっても良い。

この場合は流量検知制御器〔ＦＩＯ−２）の代りに設け
られる圧力検知制御器ＣＰＩＯ−２）の設定値と圧力検
知制御器ＣＰＩＯ−１〕の設定値の間に偏差をつけるこ
とにょシ同様な効果が得ら′□れる。

例えば圧力検知制御器（ＰＩＯ−２）の設定値を８に５
／ｃｄ、圧力検知制御器［ＰＩＯ−１：］の設定値を８
．５Ｋｆ／ｄＧに設定すると、需要増大時は精溜塔１１
内圧が下がる傾向にあるため圧力検知制御器〔ＰＬＯ−
１〕の制御弁５１は全閉となり、また圧力検知制御器Ｃ
ＰＩＯ−２１のよって制御弁１６が調節されて精溜塔内
圧が８Ｋｆ／ｄに保持され、これによって製品窒素ガス
量（分離器発生窒素ガス量）は仕様量に保たれる。−万
需要減少時は窒素ガス送出系統の圧が上昇し、圧力検知
制御器［：ＰＩＯ−２］によシ制御弁１６が全開となっ
てもさらに上昇する念め、圧力制御器（ＰＩＯ−１〕が
作動して制御弁５１を開は系内を８．５Ｋｆ／ｃｓｆＧ
に保持する、伺この製品窒素ガス流量制御機構に於て管
１４を流れる製品窒素ガスの純度を検出してこれによっ
て制御を行っても良い。

次に他の実施例（第３番目の発明）を説明する。

第２図は前記第１図の装置に於て、凝縮器が精溜塔と一
体となっており、その内部に液体空気が溜る禿の場合の
７０−シートである。第１図と同じ部分は省略し異なる
部分のみを説明する。該第２図の装置に於ては第１図の
場合の前記第３番目の　−制御機構即ち精溜塔１１下部
に溜る液の液面制御機構が異なる。第２図の場合の第３
番目の制御機構は精溜塔下部に溜る酸素富化液体空気の
液面を検出する液面計５４、該液面計５４よりの信号に
よシ、精溜塔１１下部よシ凝縮器１９′へ導出する酸素
富化液体空気の量を調節する膨張弁２１の制御を行う液
面検知制御器（ＬＩＯ−３３）と凝縮器１９′に溜る酸
素富化液体空気の液面を検出する液面計５５、該液面計
５５よりの信号によって精溜塔上部に溜シ貯槽２６に導
出される液化窒素の量を調節する制御弁２５を制御する
液面検知制御器（ＬＩＯ−３ｋ））とである。そしてそ
の作動状態は次の通りである。例えば管１７の窒素ガス
需要量が減少して精溜塔１１内の圧が上昇するとこれを
検知した圧力検知制御器（ＰＩＯ−１）により制御弁５
１が開いて膨張タービン３６による寒冷発生量が大とな
シ精溜塔１１底部の液体空気が増加する。液面計５２が
これを検知して液面制御器［ＬＩＯ−３Ｌ）が、膨張弁
２１の開度を大として管２０．２２を経て凝縮器１９’
へ導出する液体空気の量を多くする。窒素ガス需要量が
増大した場合はこの逆になる。凝縮器１９′の内部に導
入される液体空気量が上記の様に変動するため、凝縮器
１９′内に溜る液体空気量は変動するが、この変動に応
じて生成する液化窒素量も変動する。そこで凝縮器１９
の液化空気の液面を液面計５５によシ検出し、液面検知
制御器（ＬＩＯ−３ｂ）により、前記液化窒素制御弁２
５の開度を調節し、貯槽２６に導入する液化窒素の量を
制御する。

本発面は以上の如〈実施されるがその特徴、効果は次の
通シである。第１に窒素ガス需要量の変動に追従して窒
素ガスと液化窒素の製造量の比を手動によシ又は自動的
に変化させることが出来る。

第２に自動追従の機構を備えた場合は窒素ガス需要量の
少ない時は自動的に窒素ガス減量分にみあつな液化窒素
を採取して貯槽に貯え、窒素ガス需要量の多い時は自動
的に窒素ガス製造量を仕様量まで増加する。そして窒素
ガスの需要量が窒素ガス製造量を超え九時は貯槽に貯え
た液化窒素を自動的に蒸発させて送ガスさせる。従って
窒素ガス需要量零から該窒素分離器仕様値量と蒸発器仕
様値量の合計量迄の間の窒素ガス需要量の変動に自動追
従して送ガスすることが出来る。更に窒素ガス量の製造
量を仕様値を越えない機制御する九め純度低下したガス
を送出するおそれがない。またこの場合運転モードが１
つであり従って全量ガス採取運転時と液−ガス採取運転
時の制御系の切換えが不必要であるため、通常運転に於
ては全く人的制御、調整、スイッチ操作の必要がない。

第３に上記第２の特徴および需要変動に応じて原料空気
量を変動させる方法を採用しないことにより従来より経
済的に窒素ガスを製造し得る様になっ九。

【図面の簡単な説明】

第１図線本発明の一実施例を示すフローシート図、第２
図は本発明の他実施例を示すフローシート図である。 ２は空気圧縮機、４は冷却器、６．６’は吸着器、８．
９は熱交換器、１１は精溜塔、１５は流量計、１６は流
量制御弁、１９は凝縮器、２１は膨張弁、２５．３０．
５４は制御弁、２６は液化憲章用貯槽、２８は蒸発器、
３６は膨張タービン、５ｏは抜出管、５１は流量制御弁
、５２．５５は液面計、ＰＩＯ−１・４．５は圧力検知
制御器、ＦＩＯ−２は流量検知制御器、ＬＩＯ−３，３
２Ｌ、３ｂは液面検知制御器である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、膨張タービンによや寒冷を発生し単精溜塔を用いて
   空気を液化精溜分離して窒素ガスおよび液化窒素を製造
   し、窒素ガスを配管によって需要先に供給し液化窒素を
   液化窒素用貯槽に貯溜すると共に該貯溜液化窒素を蒸発
   器により適時気化して供給し得る装置に於て、前記精溜
   塔より導出するガスの一部、または該精溜塔へ導入され
   るガスの一部を精溜塔よシ膨張タービンに至る管路に導
   入せしめるための抜出管を設けると共に１精溜塔の圧を
   検出しこの圧に応じて前記抜出管を流れるガス量を制御
   するよう構成し九ことを特徴とする窒素製造装置 ２　前記精溜塔よシ導出し膨張タービンに至る管路へ゛
   送出するガス量を制御する手段が、該精溜塔下部より導
   出するガス量を制御する手段であることを４＋１１微と
   する特許請求の範囲第１項記載の窒素製造装置。 １　前記精溜塔よシ導出し膨張タービンに至る管路へ送
   出するガス量を制御する手段が、該精溜塔上部より導出
   するガス量を制御する手段であ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６ ｔ　ｊｌｌメタ−ビンよ〕寒冷を発生し単精溜塔を用い
   て空気を液化精溜分離して窒素ガスおよび液化窒素を製
   造し、窒素ガスを配管によって需要先に供給し液化窒素
   を液化窒素用貯槽に貯溜すると共に該貯溜液化窒素を蒸
   発器にょシ適時気化して供給し得る装置に於て、前記槽
   溜塔より導出するガスの一部、または該精溜塔へ導入さ
   れるガスの一部を精溜塔より膨張タービンに至る管路に
   導入せしめるための抜出管を設けると共に、精溜塔の圧
   を検出し、この圧に応じて前記抜出管を流れるガス量を
   制御する手段、精溜塔下部に溜った液化空気の液面を検
   出して凝縮器より導出する液化窒素の量を制御する手段
   、分踵器発生窒素ガスの流量または圧力を検出して分離
   器発生窒素ガス送出弁開度を制御する手段、製品窒素ガ
   ス送出圧力を検出して該検出圧力により前記貯槽に貯溜
   している液化窒素を蒸発して供給する供給量を制御する
   手段を設は九ことを特徴とする窒素製造装置。 ＆　膨張タービンによシ寒冷を発生し単精溜塔を用いて
   空気を液化精溜分離して窒素ガスおよび液化窒素を製造
   し、窒素ガスを配管によって需要先に供給し液化窒素を
   液化窒素用貯槽に貯溜すると共に＃貯溜液化窒素を蒸発
   器により適時気化して供給し得る装置に於て、前記精溜
   塔より導出するガスの一部、ま九は鋏精溜塔へ導入され
   るガスの一部を精溜塔よシ膨張タービンに至る管路に導
   入せしめるための抜出管を設けると共に、精溜塔の圧を
   検出し、この圧に応じて前記抜出管を流れるガス量を制
   御する手段、精溜塔下部に溜つ念液化空気の液面を検出
   して該液化空気を凝縮器に送出する量を制御する手段、
   該凝縮器に溜った液化空気の液面を検出して精溜塔上部
   に溜り九液化窒素を導出する量を制御する手段、分離器
   発生窒素ガスの流量１＋は圧力を検出して分離器発生窒
   素ガス送出弁開度を制御する手段、製品窒素ガス送出圧
   力を検出して、該検出圧力により前記貯槽に貯溜してい
   る液化窒素を蒸発して供給する供給量を制御する手段を
   設けたことを特徴とする窒素製造装置。