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公開番号2024134911
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-10-04
出願番号2023045355
出願日2023-03-22
発明の名称窒素製造方法及び窒素製造装置
出願人大陽日酸株式会社
代理人個人,個人
主分類F25J 3/04 20060101AFI20240927BHJP(冷凍または冷却;加熱と冷凍との組み合わせシステム;ヒートポンプシステム;氷の製造または貯蔵;気体の液化または固体化)
要約【課題】原料空気の圧力が比較的高い場合において、より効率的に運転できる窒素製造装置を提供する。
【解決手段】この窒素製造装置は、原料空気を第1窒素ガスと第1酸素富化液化流体とに分離する第1精留塔1と、第1窒素ガスと減圧した第1酸素富化液化流体とを間接熱交換させて第1窒素ガスから第1液化窒素を得ると同時に第1酸素富化液化流体から第1酸素富化気液混相流体を得る第1凝縮器2と、第1酸素富化気液混相流体を断熱膨張させて寒冷を発生させる膨張タービン6と、断熱膨張後の第1酸素富化気液混相流体を第2窒素ガスと第2酸素富化液化流体とに分離する第2精留塔3と、第2窒素ガスと減圧した第2酸素富化液化流体とを間接熱交換させて第2窒素ガスから第2液化窒素を得ると同時に第2酸素富化液化流体から第2酸素富化ガス流体を得る第2凝縮器4と、を備えている。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
原料空気を深冷液化分離して製品窒素を採取する窒素製造方法において、
圧縮、精製、冷却した原料空気を低温蒸留して第１窒素ガスと第１酸素富化液化流体とに分離する第１分離工程と、
前記第１窒素ガスと減圧した前記第１酸素富化液化流体とを間接熱交換させて第１窒素ガスを凝縮液化して第１液化窒素を得ると同時に第１酸素富化液化流体を蒸発ガス化して第１酸素富化気液混相流体を得る第１間接熱交換工程と、
前記第１酸素富化気液混相流体を低温蒸留して第２窒素ガスと第２酸素富化液化流体とに精留分離する第２分離工程と、
前記第２窒素ガスと減圧した前記第２酸素富化液化流体とを間接熱交換させて第２窒素ガスを凝縮液化して第２液化窒素を得ると同時に第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得る第２間接熱交換工程と、
前記第１窒素ガスの一部を熱回収後に第１製品窒素ガスとして導出する第１製品回収工程と、を含むことを特徴とする窒素製造方法。
続きを表示（約 1,100 文字）【請求項２】
前記第２液化窒素の一部を加圧して前記第１分離工程に導入する第２液化窒素加圧工程を含むことを特徴とする請求項１記載の窒素製造方法。
【請求項３】
前記第１酸素富化気液混相流体の液の質量分率が１０％以上であることを特徴とする請求項２記載の窒素製造方法。
【請求項４】
前記第２窒素ガスの一部を熱回収後に第２製品窒素ガスとして導出する第２製品回収工程を含むことを特徴とする請求項１記載の窒素製造方法。
【請求項５】
前記第１酸素富化気液混相流体の液の質量分率が１％以上であることを特徴とする請求項４記載の窒素製造方法。
【請求項６】
少なくとも前記第１液化窒素の一部又は前記第２液化窒素の一部を、製品液化窒素として導出する製品液化窒素導出工程を含むことを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の窒素製造方法。
【請求項７】
原料空気を深冷液化分離して製品窒素を採取する窒素製造装置において、
圧縮、精製、冷却された原料空気を低温蒸留して塔上部の第１窒素ガスと塔底部の第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窒素ガスと減圧した前記第１酸素富化液化流体とを間接熱交換させて第１窒素ガスを凝縮液化して第１液化窒素を得ると同時に第１酸素富化液化流体を蒸発ガス化して第１酸素富化気液混相流体を得る第１凝縮器と、
前記第１酸素富化気液混相流体を低温蒸留して塔上部の第２窒素ガスと塔底部の第２酸素富化液化流体とに精留分離する第２精留塔と、
前記第２窒素ガスと減圧した前記第２酸素富化液化流体とを間接熱交換させて第２窒素ガスを凝縮液化して第２液化窒素を得ると同時に第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得る第２凝縮器と、
前記第１窒素ガスの一部を熱回収後に第１製品窒素ガスとして導出する第１製品回収経路と、を備えていることを特徴とする窒素製造装置。
【請求項８】
前記第２液化窒素の一部を加圧して前記第１精留塔に導入する液化窒素ポンプを備えていることを特徴とする請求項７記載の窒素製造装置。
【請求項９】
前記第１酸素富化気液混相流体の液の質量分率が１０％以上であることを特徴とする請求項８記載の窒素製造装置。
【請求項１０】
前記第２窒素ガスの一部を熱回収後に第２製品窒素ガスとして導出する第２製品回収経路を備えていることを特徴とする請求項７記載の窒素製造装置。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒素製造方法及び窒素製造装置に関し、詳しくは、深冷液化分離法により原料空気を分離精製して製品窒素（製品窒素ガス・製品液化窒素）を採取する方法及び装置であって、特に、製品収率の高い方法及び装置において、従来よりも低い空気圧力で運転することが可能な窒素製造方法及び窒素製造装置に関する。
続きを表示（約 1,500 文字）【背景技術】
【０００２】
従来、深冷液化分離法により原料空気を分離精製して製品窒素を採取する方法としては、一つの精留塔を用いて原料空気を製品窒素と酸素が濃縮した廃ガスとに分離させる方法が広く用いられている。一方で、製品収率や動力原単位を改善するためにさまざまな窒素製造のプロセス（以降「プロセス」と記載する。）が提案されている（例えば、特許文献１～特許文献５）。特許文献１～特許文献５で提案されているプロセスでは、二つの精留塔を用い、一つの精留塔を用いた窒素製造方法では廃棄されていた第１精留塔の廃ガスを第２精留塔の原料として更に製品窒素を製造することで、製品収率や動力原単位を大幅に改善することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特許第３７３８２１３号公報
特許第４５１５２２５号公報
特許第４８４１５９１号公報
特開平５－７１８７０号公報
特許第４４５１４３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１～特許文献４で提案されているプロセスでは、その性質上、装置運転圧力の下限が存在するため、それより低い圧力の製品窒素が必要な場合には製品窒素を減圧せざるを得ず、エネルギーの損失が生じるという問題がある。このことを以下に詳述する。
【０００５】
図４は、特許文献１の図１で開示されている窒素製造装置に相当する系統図である。この窒素製造装置のプロセスでは、主熱交換器７から排出された廃ガス（Ｊ）は、原料空気（Ａ）を精製する精製器１４の再生に使用され大気へ排出される。よって、その上流の第２酸素富化ガス流体（Ｈ）の圧力は、少なくとも大気へ排出されるまでの経路４６，３２の圧力損失分だけ大気圧より高くなる。
【０００６】
減圧弁１１ｂで減圧した第２酸素富化液化流体（Ｎ）を蒸発気化させて第２酸素富化ガス流体（Ｈ）を得るために、第２凝縮器４で熱交換する第２窒素ガス（Ｅ）の凝縮液化温度を減圧後の第２酸素富化液化流体（Ｎ）の温度より高くする必要があり、これにより、第２窒素ガス（Ｅ）の圧力は、第２酸素富化ガス流体（Ｈ）の圧力より高くなる。
【０００７】
次に、第２窒素ガス（Ｅ）の発生源である第２精留塔３と、その上流の第１酸素富化ガス流体（Ｄ）の圧力の下限は、経路の圧力損失分だけ第２窒素ガスの圧力より高くなる。
【０００８】
そして、上述と同じ関係が第１酸素富化ガス流体（Ｄ）、第１凝縮器２、第１窒素ガス（Ｂ）、第１精留塔１、原料空気（Ａ）にも当てはまるため、原料空気（Ａ）の圧力に原理的な下限が存在することとなる。
【０００９】
図５は、特許文献２の図１で開示されている窒素製造装置に相当する系統図である。このプロセスでは、廃ガス（Ｊ）と第２酸素富化ガス流体（Ｈ）の圧力差を利用して寒冷を発生する膨張タービン６が設けられるため、第２酸素富化ガス流体（Ｈ）の圧力は特許文献１で開示されているプロセスより高くなる。膨張タービン６の圧力差が加わるものの、大気へ排出される廃ガス（Ｊ）を起点として原料空気（Ａ）の圧力の下限が原理的に決まる関係は、特許文献１で開示されているプロセスと同じである。
【００１０】
また、特許文献３の図２で開示されている窒素製造装置は、膨張タービン（特許文献３の図２の符号７２）の位置が特許文献１で開示されている窒素製造装置と異なるものの、廃ガスを起点として原料空気圧力の下限が決まる関係は、やはり特許文献１で開示されているプロセスと同じである。
（【００１１】以降は省略されています）

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