KR20080036008A - 질소 발생 방법과 이에 이용되는 장치 - Google Patents

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고지 다나카
료스케 마츠바야시
준야 스에나가
신야 오쿠무라
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에아.워타 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 질소 발생 방법과 이에 사용되는 장치에 관한 것으로, 고압탑(11) 내에 도입한 압축 공기를 심랭 분리하고, 액체 공기(13)를 저부에 모아 질소를 기체 상태에서 상부로부터 취출하고, 고압탑(11)의 저부의 액체 공기(13)를 저압탑(12)에 도입하고, 저압탑(12) 내에 도입한 액체 공기(13)를 심랭 분리하고, 산소 부화 액체 공기(22)를 저부에 모아 질소를 기체 상태에서 상부로부터 제품 가스로서 취출하고, 고압탑(11)의 상부로부터 취출한 질소를 응축기(16)에 도입하여 액화하고, 상기 액체 질소의 일부를 고압탑(11)에 환류시키고, 잔부를 저압탑(12)의 상부에 송급하고, 한랭으로서 액체 질소 또는 액체 산소를 계로부터 저압탑 내에 도입하는 방법이고, 저압탑(12)의 정류부(12a)에서의, 탑 저부측으로부터의 이론 단수가 1~10단의 범위 내로 설정되어 있는 부분으로부터, 취출 파이프(20)에서 취출한 액체 공기(13)를 도입하고 있는데, 상기 방법에 의해 원료 공기량을 대폭 감소시켜 전력 소비량, 한랭량 및 설비비의 대폭적인 감소를 도모할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

질소 발생 방법과 이에 이용되는 장치{NITROGEN GENERATING DEVICE AND APPARATUS FOR USE THEREFOR}
본 발명은 질소 발생 방법과 이에 사용되는 장치에 관한 것이다.
현재 사용되고 있는 한랭 주입 방식의 질소 발생 장치로서는 도 3에 도시한 바와 같은 단식 정류(精留) 방식의 것이 채용되어 있다. 상기 질소 발생 장치는 공기를 원료로 하고, 이를 공기 압축기(31)에서 압축한 후, 드레인 분리기(32), 프론 냉각기(33)를 통과시키고, 또한 흡착탑(34)에 넣어 압축 공기 중의 탄산 가스 및 물을 제거하고, 이어서 흡착탑(34)을 거친 압축 공기를 공급 파이프(35)를 통하여 주열교환기(36)에 도입하고, 여기에서 냉매와 열교환시켜 초저온으로 냉각하고, 상기 초저온으로 냉각시킨 압축 공기를 도입 파이프(37)를 통하여 정류탑(38)에 도입하고, 여기에서 심랭 액화 분리하여 제품 질소 가스를 제조하고, 이를 제품 질소 가스 취출 파이프(39)를 통하여 상기 주열교환기(36)에 도입하고, 여기에서 상온 근방으로 승온시켜 메인 파이프(40)에 이송하는 공정을 거쳐 제조되어 있다. 상기 정류탑(38)에 대해서 보다 상세하게 설명하면, 상기 정류탑(38)은 주열교환기(36)에 의해 초저온으로 냉각된 압축 공기를 더욱 냉각시키고, 그 일부를 액화하여 액체 공기(41)로서 저부에 모으고 질소만을 기체 상태로 상부에 모으도록 되어 있다. 또한, 정류탑(38)은 탑 꼭대기에 응축기(42a) 내장의 분축기(分縮器)(42)를 구비하고 있고, 상기 응축기(42a)에는 정류탑(38)의 상부에 모이는 질소 가스의 일부가 제 1 환류액 파이프(43a)를 통하여 송입된다. 상기 분축기(42) 내는 정류탑(38)보다도 감압 상태로 되어 있고, 정류탑(38)의 저부에 모이는 저류 액체 공기(N2: 50~70%, O2: 30~50%)(41)가 팽창 밸브(44a)가 부착된 송급 파이프(44)를 거쳐 이송되고, 기화하여 내부 온도를 액체 질소의 비점 이하의 온도로 냉각되도록 이루어져 있다. 상기 냉각에 의해 응축기(42a) 내에 송입된 질소 가스가 액화되고, 이 액체 질소가 제 2 환류액 파이프(43b)를 통하여 정류탑(38)의 상부에 유하(流下) 공급된다. 상기 정류탑(38)의 상부에는 한랭으로서 액체 질소 저류조(도시하지 않음)로부터 액체 질소가 도입 파이프(45)를 거쳐 주입, 공급되어 있고, 이들 액체 질소가 정류탑(38) 내를 유하하여, 정류탑(38)의 저부로부터 상승하는 압축 공기와 향류적(向流的)으로 접촉, 냉각되어 그 일부를 액화하도록 이루어져 있다. 상기 과정에서 압축 공기 중의 고비점 성분은 액화되어 정류탑(38)의 저부에 모이고, 저비점 성분의 질소 가스가 정류탑(38)의 상부에 모인다(산소의 비점: 약 -183℃, 질소의 비점: 약 -196℃). 도면에서, "46"은 분축기(42) 내의 기화 액체 공기(폐기 가스)를 열교환기(36)에 이송하고, 이곳을 통과하는 압축 공기의 온도를 하강시키는 폐기 가스 도출 파이프이고, "47"은 열교환기(36)를 경유한 기화 액체 공기를 대기중에 방출하는 제 1 방출 파이프이고, "48"은 질소 가스 중의 He 가스(질소 가스보다 비점이 낮음)를 기체 그대로 대기중에 방출하는 제 2 방출 파이프이고, "49"는 내 부를 진공 단열하는 콜드 박스이다.
특허 문헌 1: 일본 공개특허공보 평11-101576호
(발명이 해결하고자 하는 과제)
그러나, 상기와 같은 단식 정류 방식을 채용한 질소 발생 장치에서는 지금까지 가스 제조 원가를 감소시키기 위해, 원료 공기량을 감소시키는 개선이 계속되어 왔지만, 현재의 A/N(원료 공기량/제조 질소량)비=2.1 정도가 이미 한계에 가깝고, 그 이상으로 원료 공기량을 감소시켜 전력 소비량, 한랭량 및 설비비의 감소를 도모하기 곤란한 상황이 되었다.
본 발명은 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 원료 공기량을 대폭 감소시켜 전력 소비량, 한랭량 및 설비량의 대폭적인 감소를 도모할 수 있는 질소 발생 방법과 이에 사용되는 장치의 제공을 그 목적으로 한다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 공기 압축 수단에 의해 외부로부터 취입된 공기를 압축하고, 상기 압축 공기를 주열교환기에서 저온으로 냉각시킨 후 고압탑에 도입하고, 상기 고압탑 내에 도입한 압축 공기를 각 성분의 비점차를 이용하여 심랭 분리하여, 액체 공기를 저부에 모아 질소를 기체 상태에서 상부로부터 환류액용으로서 취출하고, 상기 고압탑 내의 저부에 모이는 액체 공기를 액체 공기 취출로를 통하여 저압탑에 도입하고, 상기 저압탑 내에 도입한 액체 공기를 각 성분의 비점차를 이용하여 심랭 분리하고, 산소 부화 액체 공기(oxygen-rich liquid air)를 저부에 모아 질소를 기체 상태로 상부로부터 취출하여 제품 가스로서 제품 가스 취출로에 도입하고, 상기 고압탑의 상부로부터 환류액용으로서 취출한 기체 상태의 질소를 응축기에 도입하여 액화하고, 상기 액체 질소의 일부를 환류액으로서 고압탑에 환류시키고, 잔부를 저압탑의 상부에 송급하고, 열교환기에서의 열손실 및 외부로부터의 침입열을 보충하는 한랭으로서 액체 질소 또는 액체 산소를 계외(系外)로부터 저압탑 내에 도입하는 방법으로서, 상기 저압탑의 정류부에서의, 탑 저부측으로부터의 이론단수가 1~10단의 범위 내로 설정되어 있는 부분으로부터, 상기 액체 공기 취출로를 통하여 취출한 액체 공기를 도입하도록 한 질소 발생 방법을 제 1 요지로 하고, 외부로부터 취입된 공기를 압축하는 공기 압축 수단과, 상기 공기 압축 수단에 의해 압축된 압축 공기를 저온으로 냉각하는 주열교환기와, 상기 주열교환기를 경유하여 저온으로 냉각된 압축 공기를 각 성분의 비점차를 이용하여 심랭 분리하고 액체 공기를 저부에 모아 질소를 기체 상태로 상부로부터 환류액용으로서 취출하는 고압탑과, 상기 고압탑 내의 저부로부터 액체 공기 취출로를 통하여 취출한 액체 공기를 도입하여 각 성분의 비점차를 이용하여 심랭 분리하여 산소 부화 액체 공기를 저부에 모아 질소를 기체 상태에서 상부로부터 취출하는 저압탑과, 상기 저압탑의 상부로부터 기체 상태에서 취출한 질소를 제품 가스로서 도입하는 제품 가스 취출로와, 상기 고압탑의 상부로부터 환류액용으로서 기체 상태로 취출한 질소를 도입하여 액화하는 응축기와, 상기 응축기로부터 취출한 액체 질소의 일부를 환류액으로서 고압탑에 환류하는 환류로와, 상기 응축기로부터 취출한 액체 질소의 잔부를 저압탑의 상부에 송급하는 송급로와, 열교환기에서의 열손실 및 외부로부터의 침입열을 보충하는 한랭으로서 액체 질소 또는 액체 산소를 계외로부터 저압탑 내에 도입하는 도입로를 구비하고, 상기 저압탑의 정류부에서의, 탑 저부측으로부터의 이론단수가 1~10단의 범위 내로 설정되어 있는 부분으로부터, 상기 액체 공기 취출로를 통하여 취출한 액체 공기를 도입하도록 구성한 질소 발생 장치를 제 2 요지로 한다.
(발명의 효과)
즉, 본 발명자들은 원료 공기량을 대폭 감소시키고 전력 소비량, 한랭량 및 설비비를 대폭 감소시킬 수 있는 질소 발생 방법 및 그에 사용되는 장치를 얻기 위한 연구의 과정에서, 공기 압축 수단에 의해 외부로부터 취입된 공기를 압축하고, 상기 압축 공기를 주열교환기에서 저온으로 냉각한 후 고압탑에 도입하고, 상기 고압탑 내에 도입한 압축 공기를 각 성분의 비점차를 이용하여 심랭 분리하고, 액체 공기를 저부에 모아 질소를 기체 상태에서 상부로부터 환류액용으로서 취출하고, 상기 고압탑 내의 저부에 모이는 액체 공기를 액체 공기 취출로를 통하여 저압탑에 도입하고, 상기 저압탑 내에 도입한 액체 공기를 각 성분의 비점차를 이용하여 심랭 분리하고, 산소 부화 액체 공기를 저부에 모아 질소를 기체 상태로 상부로부터 취출하여 제품 가스로서 제품 가스 취출로에 도입하고, 상기 고압탑의 상부로부터 환류액용으로서 취출한 기체 상태의 질소를 응축기에 도입하여 액화하고, 이 액체 질소의 일부를 환류액으로서 고압탑에 환류하고, 잔부를 저압탑의 상부에 송급하고, 열교환기에서의 열손실 및 외부로부터의 침입열을 보충하는 한랭으로서 액체 질소 또는 액체 산소를 계외로부터 저압탑 내에 도입하면, 고압탑의 저부에 모이는 액체 공기를 저압탑에 이송하여 다시 심랭 분리함으로써, 상기 액체 공기 중의 질소 성분도 저압탑에서 취출할 수 있고, 고순도 질소 가스의 수율이 향상되는 점에 착안하여 일련의 연구를 거듭했다. 그 결과, 상기 저압탑의 정류부에서의, 저압탑 저부측으로부터의 이론단수가 1~10단의 범위 내로 설정되어 있는 부분으로부터, 상기 액체 공기 취출로를 통하여 취출한 액체 공기를 도입하는 경우에는, 고순도 질소 가스의 수율이 대폭 향상되고, 이에 의해 원료 공기량을 대폭 감소시켜 전력 소비량, 한랭량 및 설비비의 대폭적인 감소를 도모(즉, 원료 공기 관련 설비를 소형화하고, 전력 소비량 및 설비비의 대폭적인 감소를 도모하며, 주열교환기에서의 열손실을 보충하는 한랭량[액체 질소의 주입량]을 대폭 감소시키거나 저압탑에 주입하는 액체 질소의 한랭 에너지를 저압 영역까지 이용하여, 한랭량의 대폭적인 감소를 도모)할 수 있는 것을 발견하여 본 발명에 도달했다. 또한, 본 발명에서 저압탑의 정류부에 사용되는 정류 수단으로서는 예를 들어 정류선반(精留棚) 또는 충전물(규칙 충전물, 불규칙 충전물 등)이라고 불리는 구조물이 사용된다.
본 발명에서, 상기 저압탑의 정류부의 하측에 상기 도입로의 도입구가 설치되어 있는 경우에는 상기 저압탑의 정류부의 하측 공간에 액체 질소 또는 액체 산소를 한랭으로서 도입할 수 있다.
본 발명에서 상기 저압탑의 정류부의 하측에, 상기 저압탑의 하부의 배기 가스를 도출하는 배기 가스 출구가 설치되어 있는 경우에는 상기 저압탑의 하부에 모이는, 고순도 질소 가스가 별로 함유되어 있지 않은 가스를 배기 가스로서 외부로 도출할 수 있어, 상기 저압탑의 상부로부터 취출되는 고순도 질소 가스의 수율이 더욱 향상된다.
도 1은 본 발명의 질소 발생 장치의 일실시형태를 도시한 구성도,
도 2는 본 발명의 질소 발생 장치의 다른 실시형태를 도시한 구성도, 및
도 3은 종래예를 도시한 구성도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
11: 고압탑 12: 저압탑
12a: 정류부 13: 액체 공기
16: 응축기 20: 취출 파이프
22: 산소 부화 액체 공기
다음에, 본 발명의 실시 형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 질소 발생 장치의 일 실시형태를 도시하고 있다. 도면에서, "1"은 원료 공기 압축 장치이고, 외부로부터 도입된 공기를 (압력 0.47 MPaG 정도까지)압축하는 원료 공기 압축기(2)와, 후술하는 저압탑(12)으로부터 취출된 배기 가스와, 원료 공기 압축기(2)에서 압축된 압축 공기를 열교환시킴으로써 배기 가스를 가열하여 승온시키고 또한 압축 공기를 냉각하여 온도를 하강시키는 열교환기(3)와, 드레인 분리기(4)로 이루어져 있다. "5"는 상기 원료 공기 압축 장치(1)를 거친 압축 공기를 냉각수로 냉각하는 냉각기이고, "6", "7"은 상기 냉각기(5)를 경유한 압축 공기로부터 수분 및 탄산 가스를 흡착 제거하는 2개 1조의 흡착탑으로 이루어진 공기 전처리 장치이다. "8"은 플레이트핀형의 주열교환기이고, 상기 흡착탑(6,7)을 경유한 압축 공기가 압축 공기 공급 파이프(9)를 거쳐 이송되고, 후술하는 고순도 질소 가스, 배기 가스, 배기액과의 열교환 작용에 의해 초저온으로(약 -175℃ 정도로) 냉각된다.
"10"은 복식 정류 방식의 정류탑이고, 고압탑(11)(압력 약 0.45 MPaG 정도로 운전됨)과, 상기 고압탑(11)의 상측에 설치되는 저압탑(12)(압력 약 0.04 MPaG 정도로 운전됨)으로 구성되어 있다. 상기 고압탑(11)에서는 주열교환기(8)에 의해 냉각되어 고압탑(11)의 하부로부터 이송된 압축 공기가 더욱 냉각되고, 압축 공기 중의 각 성분의 비점차를 이용하여 심랭 분리되고, 압축 공기 중의 고비점 성분(산소)이 액화되어 액체 공기(13)(산소 농도 약 35 용적%)로서 저부에 모이고, 저비점 성분의 질소가 기체 상태로 꼭대기부로부터 취출된다.
"15"는 상기 고압탑(11)의 꼭대기부로부터 취출된 고순도 질소 가스를, 후술하는 응축기(16)에 이송하는 제 1 환류액 파이프이고, 상기 제 1 환류액 파이프(15)에서 응축기(16)에 이송된 고순도 질소 가스는 응축기(16)에서 액화되고, 상기 고순도 액체 질소의 일부가 제 2 환류액 파이프(17)를 거쳐 상기 고압탑(11)의 꼭대기부에 환류액으로서 환류됨과 동시에, 잔부가 공급 파이프(18)를 거쳐 과(過)냉각기(19)에 도입되고, 여기에서 고순도 질소가스와 열교환되어 냉각된 후, 상기 저압탑(12)의 꼭대기부에 공급된다.
"20"은 상기 고압탑(11)의 저부에 모이는 액체 공기(13)를 저압탑(12)의 정류 선반부(정류부)(12a)에 이송하는 팽창 밸브(20a)가 부착된 취출 파이프(액체 공 기 취출로)이다. 이 실시형태에서는 상기 액체 공기(13)는 저압탑(12)의 정류부(12a)의, 아래로부터 1단째의 정류선반과 10단째의 정류 선반(함께 도시하지 않음) 사이에 이송된다. "21"은 상기 저압탑(12)의 정류 선반부(12a)의 하측 부분에(장치 밖으로부터 액체 질소의 공급을 받고 있는) 액체 질소 저류조(도시하지 않음) 내의 액체 질소를 이송하는 액체 질소 도입 파이프이다. 그리고, 상기 저압탑(12)에서도, 상기 고압탑(11)과 동일하게, 취출 파이프(20)를 경유하여 이송된 기액 혼합 상태의 액체 공기(13)가 더욱 냉각되고, 상기 액체 공기(13) 중의 각 성분의 비점차를 이용하여 심랭 분리되고, 액체 공기(13) 중의 고비점 성분(산소)이 액화되어 산소 부화 액체 공기(22)(산소 농도 약 90 용적%)로서 저부에 모이고, 저비점 성분의 질소가 기체 상태에서 꼭대기부로부터 취출된다. 상기 저압탑(12)의 꼭대기부로부터 취출되는 고순도 질소 가스(질소 농도 약 100 용적%이고, 고압탑(11)의 꼭대기부로부터 취출되는 고순도 질소 가스의 질소 온도와 거의 동일함)는 고압탑(11)의 저부에 모이는 액체 공기(13)를 저압탑(12)에 이송하여 다시 심랭 분리하여 수득된 것이고, 그 질소 가스량은 단식 정류 방식을 채용한 질소 발생 장치에 의해 얻어지는 질소 가스량 보다도 대폭 증가하고 있다.
상기 저압탑(12)의 저부에 모이는 산소 부화 액체 공기(22) 중에는 응축기(16)가 침지되어 있고, 상기한 바와 같이, 상기 고압탑(11)의 꼭대기부로부터 취출한 고순도 질소 가스를 액화함과 동시에, 응축기(16)의 주위에 있는 산소 부화 액체 공기(22)를 가열하여 증발시키고, 저압탑(12) 내에 상승 가스를 생성한다. 그리고, 상기 상승 가스와, 저압탑(12)의 꼭대기부로부터 유하하는 고순도 액체 질 소와, 저압탑(12)의 정류부(12a)에 공급되는 액체 공기(13)가 접촉됨으로써 정류되고, 상기한 바와 같이 저부에 산소 부화 액체 공기(22)가 모이고, 꼭대기부로부터 고순도 질소 가스가 취출된다.
"23"은 상기 저압탑(12)의 꼭대기부로부터 고순도 질소 가스를 취출하는 취출 파이프이고, 고순도 질소 가스를 과냉각기(19), 주열교환기(8)에 통과시켜 상온까지 가온하고, 질소 압축 장치(24)의 질소 압축기(24a)에서 소정의 압력까지 압축한 후, 제품 질소 가스 취출 파이프(제품 가스 취출로)(25)에 도입하고, 제품 질소 가스로서 각 처에 공급한다. "26"은 상기 저압탑(12)의 정류부(12a)의 하측 부분(즉, 취출 파이프(20)의 정류부(12a)의 액체 공기 입구보다 하측 부분)으로부터 연장되는 배기 가스 취출 파이프이고, 상기 저압탑(12)의 저부의 산소 부화 액체 공기(22)가 증발하여 생성되는 배기 가스(산소 농도 약 80 용적%)를 취출하는 작용을 한다. 상기 배기 가스는 배기 가스 취출 파이프(26)에 의해 주열교환기(8)에 도입되고, 여기에서 상온까지 가온되고, 열교환기(3)에서 추가로 가온된 후, 흡착탑(6, 7)의 재생 가스로서 이용되고 대기에 방출된다. 도면에서, "24b"는 질소 압축 장치(24)의 냉각기이다.
"28"은 백업계 라인이고, 본 장치가 고장나거나 제품 질소 가스가 부족했을 때, 백업용 액체 질소 저류조(28a) 내의 액체 질소를 백업용 액체 질소 증발기(28b)에 의해 증발시켜 제품 질소 가스 취출 파이프(25)에 이송되고, 질소 가스의 공급이 두절되지 않도록 하고 있다. 도면에서, "29"는 내부를 진공 단열하는 콜드박스이다.
상기 질소 발생 장치는 다음과 같이 하여 제품 질소 가스를 제조한다. 즉, 우선 원료 공기 압축기(2)에 의해 공기를 외부로부터 도입하여 압축하고, 상기 압축 공기를 열교환기(3), 드레인 분리기(4), 냉각기(5)를 경유시켜, 압축 공기 중의 수분 제거 및 냉각을 실시한 후, 흡착탑(6(7))에 이송하여 수분 및 탄산 가스를 흡착 제거한다. 이어서, 수분 및 탄산 가스가 흡착 제거된 압축 공기를, 압축 공기 공급 파이프(9)를 경유시켜 주열교환기(8) 내에 이송하여 초저온으로 냉각하고, 고압탑(11)의 하부 내에 투입한다. 다음에, 상기 투입된 압축 공기를, 응축기(16)를 경유하여 고압탑(11)의 꼭대기부에 되돌리는 환류액과 향류적으로 접촉시켜 냉각하고, 그 일부를 액화하여 고압탑(11)의 저부에 액체 공기(13)로서 모은다. 이 액체 공기(13)를 팽창 밸브(20a)가 부착된 취출 파이프(20)를 통하여 저압탑(12) 내에 이송하여 응축기(16)를 냉각시킨다. 이 냉각에 의해 고압탑(11)의 꼭대기부로부터 응축기(16)에 이송된 고순도 질소 가스가 액화되고, 이 고순도 액체 질소의 일부가 환류액이 되고 제 2 환류액 파이프(17)를 거쳐 고압탑(11)의 꼭대기부에 되돌림과 동시에, 잔부가 공급 파이프(18)를 거쳐 과냉각기(19)에서 냉각된 후 상기 저압탑(12)의 꼭대기부에 공급된다. 그리고, 상기한 바와 같이 고압탑(11) 내에서 투입된 압축 공기와 환류액을 접촉시키고 냉각하는 과정에서, 질소와 산소의 비점차에 의해, 압축 공기 중의 고비점 성분인 산소가 액화되어 유하하고, 질소가 기체 상태로 고압탑(11)의 꼭대기부에 남고, 제 1 환류액 파이프(15)를 거쳐 응축기(16)에 이송된다.
한편, 저압탑(12)에는 액체 질소 저류조로부터 액체 질소 도입 파이프(21)를 경유하여 액체 질소가 한랭원으로서 이송되고 있고, 저압탑(12) 내의 산소 부화 액체 공기(22)로부터 생성되는 상승 가스를, 응축기(16)로부터 저압탑(12)의 꼭대기부에 공급되는 고순도 액체 질소, 및 저압탑(12)에 도입된 액체 공기(13)와 향류적으로 접촉시켜 냉각한다. 그리고, 상기 냉각의 과정에서 질소와 산소의 비점의 차에 의해, 압축 공기 중의 고비점 성분인 산소가 액화되어 유하되고, 저압탑(12)의 저부에 산소 부화 액체 공기(22)로서 모이고 응축기(16)를 냉각시키고, 질소가 기체의 상태로 고압탑(11)의 꼭대기부로부터 취출 파이프(23)에 의해 취출되고 과냉각기(19), 주열교환기(8)에 이송되어, 상온 가까이까지 승온되고 제품 질소 가스로서 송출된다. 또한, 상기 저압탑(12)의 저부의 배기 가스는 배기 가스 취출 파이프(26)에 의해 취출되고, 흡착탑(6, 7)의 재생 가스로서 이용된 후, 대기에 방출된다.
상기와 같이, 상기 실시 형태에서는 복식 정류 방식의 정류탑(10)을 사용하여, 고압탑(11)의 저부에 모이는 액체 공기(13)를 저압탑(12)에 이송하여 다시 심랭 분리하고 있고, 고순도 질소 가스의 수율이 대폭 향상된다(A/N비=1.4 정도까지 향상시킬 수 있다). 이 때문에, 원료 공기량을 대폭 감소시킬 수 있고, 원료 공기 관련 설비(원료 공기 압축기(2), 2개 1조의 흡착탑(6, 7), 이들의 부대 배관 설비 등)를 소형화할 수 있고, 전력 소비량 및 설비비를 감소시킬 수 있다. 또한, 주열교환기(8)에서의 열손실을 보충하는 한랭량(액체 질소의 주입량)을 대폭 감소시킬 수 있고, 저압탑(12)에 주입하는 액체 질소의 한랭 에너지를 저압 영역까지 이용할 수 있고, 또한 액체 질소의 주입량을 감소시킬 수 있다. 또한, 콜드 박스(29)를 소형화하여 콜드 박스(29)로부터 히트 리크를 작게 할 수 있고, 또한 액체 질소의 주입량의 감소를 도모할 수 있다. 상기 실시형태에서는 액체 질소의 주입량을 제품 질소량의 0.5% 정도까지 감소가 가능해진다.
도 2는 본 발명의 질소 발생 장치의 다른 실시형태를 도시하고 있다. 이 실시 형태에서는 상기 실시 형태에서 저압탑(12)의 꼭대기부에 액체 질소 저류조로부터 액체 질소를 한랭원으로서 이송하도록 하고 있다. 그 이외의 부분은 상기 실시형태와 동일하고, 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다. 이 실시형태에서도 상기 실시형태와 동일한 작용·효과를 갖는다.
또한, 상기 두 실시형태에서는 상기 고압탑(11)의 정류부(12a)로서 정류 선반부를 사용하고 있지만(즉, 정류 선반에서 정류하고 있지만), 이에 한정되는 것은 아니고 규칙 충전물, 불규칙 충전물 등의 각종 충전물을 사용하여 정류해도 좋다. 이 경우에는 충전물을 수용하는 정류부(12a) 중, 이론단수 1~10단에 상당하는 충전물의 높이 부분으로부터, 상기 고압탑(11)의 저부에 모이는 액체 공기(13)를 도입한다. 또한, 상기 두 실시형태에서는 저압탑(12)의 정류부(12a)의 하측 부분 또는 꼭대기부 등의 정류부(12a)의 상측 부분에 액체 질소를 도입하고 있지만, 저압탑(12)의 어떠한 부분(정류부(12a)를 포함)에 도입해도 좋고, 고압탑(11)의 어떤 부분에 도입해도 좋다. 또한, 상기 두 실시형태에서는 한랭원으로서 저압탑(12)에 액체 질소를 도입하고 있지만, 액체 질소를 대신하여 액체 공기를 도입해도 좋다.
본 발명에 의하면 고순도 질소 가스의 수율이 대폭 향상되고 이에 의해, 원 료 공기량을 대폭 감소시켜 전력 소비량, 한랭량 및 설비비의 대폭적인 감소를 도모할 수 있다.

Claims (4)

  1. 공기 압축 수단에 의해 외부로부터 도입된 공기를 압축하고, 이 압축 공기를 주열교환기에서 저온으로 냉각한 후 고압탑에 도입하고, 상기 고압탑 내에 도입한 압축 공기를 각 성분의 비점차를 이용하여 심랭 분리하고, 액체 공기를 저부에 모아 질소를 기체 상태로 상부로부터 환류액용으로서 취출하고, 상기 고압탑 내의 저부에 모이는 액체 공기를 액체 공기 취출로를 통하여 저압탑에 도입하고, 상기 저압탑 내에 도입한 액체 공기를 각 성분의 비점차를 이용하여 심랭 분리하고, 산소 부화 액체 공기를 저부에 모아 질소를 기체 상태로 상부로부터 취출하여 제품 가스로서 제품 가스 취출로에 도입하고, 상기 고압탑의 상부로부터 환류액용으로서 취출한 기체 상태의 질소를 응축기에 도입하여 액화시키고, 이 액화 질소의 일부를 환류액으로서 고압탑에 환류하고, 잔부를 저압탑의 상부에 송급하고, 열교환기에서의 열손실 및 외부로부터의 침입열을 보충하는 한랭으로서 액체 질소 또는 액체 산소를 계외로부터 저압탑 내에 도입하는 방법에 있어서, 상기 저압탑의 정류부에서의, 탑 저부측으로부터의 이론 단수가 1~10단의 범위 내로 설정되어 있는 부분으로부터, 상기 액체 공기 취출로를 통하여 취출한 액체 공기를 도입하도록 한 것을 특징으로 하는 질소 발생 방법.
  2. 외부로부터 도입된 공기를 압축하는 공기 압축 수단과, 상기 공기 압축 수단에 의해 압축된 압축 공기를 저온으로 냉각하는 주열교환기와, 상기 주열교환기를 경유하여 저온으로 냉각된 압축 공기를 각 성분의 비점차를 이용하여 심랭 분리하고 액체 공기를 저부에 모아 질소를 기체 상태로 상부로부터 환류액용으로서 취출하는 고압탑과, 상기 고압탑 내의 저부로부터 액체 공기 취출로를 통하여 취출된 액체 공기를 도입하고 각 성분의 비점차를 이용하여 심랭 분리하여 산소 부화 액체 공기를 저부에 모아 질소를 기체 상태로 상부로부터 취출하는 저압탑과, 상기 저압탑의 상부로부터 기체 상태로 취출한 질소를 제품 가스로서 도입하는 제품 가스 취출로와, 상기 고압탑의 상부로부터 환류액용으로서 기체 상태에서 취출한 질소를 도입하여 액화하는 응축기와, 상기 응축기로부터 취출한 액체 질소의 일부를 환류액으로서 고압탑에 환류시키는 환류로와, 상기 응축기로부터 취출한 액체 질소의 잔부를 저압탑의 상부에 송급하는 송급로와, 열교환기에서의 열손실 및 외부로부터의 침입열을 보충하는 한랭으로서 액체 질소 또는 액체 산소를 계외로부터 저압탑 내에 도입하는 도입로를 구비하고, 상기 저압탑의 정류부에서의, 탑 저부측으로부터의 이론 단수가 1~10단의 범위 내로 설정되어 있는 부분으로부터, 상기 액체 공기 취출로를 통하여 취출한 액체 공기를 도입하도록 구성한 것을 특징으로 하는 질소 발생 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 저압탑의 정류부의 하측에 상기 도입로의 도입구가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 질소 발생 장치.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 저압탑의 정류부의 하측에, 상기 저압탑의 하부의 배기 가스를 도출하는 배기 가스 출구가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 질소 발생 장치.
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