JPH0794953B2 - 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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JPH0794953B2
JPH0794953B2 JP2186986A JP18698690A JPH0794953B2 JP H0794953 B2 JPH0794953 B2 JP H0794953B2 JP 2186986 A JP2186986 A JP 2186986A JP 18698690 A JP18698690 A JP 18698690A JP H0794953 B2 JPH0794953 B2 JP H0794953B2
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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（Ruhemann）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3,217,50
2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,15,000,000〜200,000,000標準ft3/日（st
andard cubic feet/day;SCFD）（すなわち625,000〜8,0
00,000SCFH〕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15,000,000SCFD（625,000SCFH）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，モレキュラーシーブ等の吸着手
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，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，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 output）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，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，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縮機に送られ
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縮機を作動させること
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。
本発明のプロセスと装置を説明するのに先立ち、その説
明の参考となる窒素回収システム２を第１図に示す。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クに
送られる。その後，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10が熱交換器12
に入り，そこで空気が，酸素含量の多いガス14及び窒素
生成物流れ16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ヘッド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，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ってガス状窒
素オーバーヘッド34の一部48を凝縮させつつ沸騰する。
沸騰した酸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を経て出ていく。凝縮器46を出た凝
縮液体窒素50は分割され，部分51は必要に応じて通常の
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，熱交換器12に
おいてさらに熱を吸収し，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，ほぼ大
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，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態
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
て周囲温度に加温される。加温されたガス66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，
圧縮機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。
やはり本発明のプロセスに対して参考となる第２図に示
した態様においては、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を通るようになっ
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。合流した流れ160は，ターボエキス
パンダー128に入り，ほ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11
2を通過して圧縮機170に進む。次いで圧縮されたガス17
1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174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図に示した態様と類似の参
考の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2
12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図に示した態様
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図に示した参考の態様はいずれも、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、圧縮されて蒸留塔に戻る前
に、熱交換器64（第１図）、112（第２図）および212
（第３図）により実質的に周囲温度に加温される。
本発明においては、効率的なプロセスにて窒素生成物の
回収率の向上を達成する手段として、廃棄窒素の再循環
流れの冷間圧縮を行う。
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100psig以上である
ようなプラントでは，廃棄窒素のターボ膨張（turboexp
ansion）によって、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。
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（compressor wheel）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，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・アウトプット（shaf
t 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を
圧縮するための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（dissipative 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図に本発明のプロセスおよび装置の一実施態様を示
す。この実施態様は、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が熱交換器312に
おいて冷却される。冷却された空気310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318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33
2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322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3
36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345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，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338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。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332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。本実施態様に関し
て特に重要な点は，ターボエキスパンダー328と圧縮機3
70との間にシャフト接合部307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
ンダー328のワークアウトプットの一部が圧縮機370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（b
oil up）”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（surroundings）”
とは，エネルギーと流れのコールドボックス（cold bo
x）（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，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。重要なことは，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 output）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，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機470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432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，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源471
が，プラントの所望ガス状生成物の純度の、またはそれ
に近い純度の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 leak）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，圧縮機470
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471
（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の単位量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散逸装置を組み込んだ機械的複
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
段となる。
低温圧縮の他の実施態様（図示せず）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器に供給する必
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，もう一度繰り返すが，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。
実施例１ 第４図のプロセスに従って25,000SCFHの窒素流れを生成
させ，このときターボエキスパンダー328からのワーク
アウトプットの一部を，シャフト307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ウテム外
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。次いで1036SCFH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40,758SCFHが凝縮器346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340と25,000S
CFH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312に入り，
周囲温度に加温され，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26,546SCFH及び9,665SCFH）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
アップ”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。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。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，種々の回収率が達成できる。
本実施例１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370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。
実施例２ 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１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,949SCFH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。本
システムにおいて51,546SCFHの供給空気を処理して，最
高30,000SCFH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
の形態でも）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800,000SCFH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，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ター，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。本発明における必須の構成要件
は，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，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図は本発明に対する参考の態様を示し、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周囲温度において
圧縮され、そして蒸留塔に戻される、という加温圧縮サ
イクルを示す概略図である。 第２図は別の参考態様を示し、１つ少ない熱交換器を使
用した加温圧縮サイクルを示す概略図である。 第３図はさらに別の参考態様を示し、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、という本発明の実施態様を示す概略図である。 第５図，ターボエキスパンダーからの全シャフトワーク
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。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−37675（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−47882（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−228286（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−178183（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭55−96388（ＪＰ，Ｕ) 実公 昭61−42070（ＪＰ，Ｙ２)

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】（ａ）ガス状の供給空気を圧縮する工程； （ｂ）熱交換器（312）にて、前記圧縮空気（310）を酸
    素含量の多い流れ（340）及び窒素生成物流れ（317）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（33
    2）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（33
    4）と酸素含量の多い塔底液（336）を前記蒸留塔（33
    2）から分離する工程； （ｅ）酸素含量の多い塔底液（336）の実質的に全てと
    ガス状窒素オーバーヘッドの一部（348）を凝縮器（34
    6）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（340）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（332）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（340）の少なくと
    も第１の部分（302）を蒸留塔（332）の温度とほぼ同じ
    温度で圧縮し、この圧縮された酸素含量の多いガス流れ
    （303）を前記蒸留塔（332）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（312）にて、ガス状窒素オーバーヘッ
    ドの残部（342）を前記圧縮空気（310）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（317）として前記熱交換器（312）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. 【請求項２】逆転熱交換器（312）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（310）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. 【請求項３】凝縮器（346）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. 【請求項４】凝縮器（346）を出る前記酸素含量の多い
    ガス流れ（340）の第２の部分（305）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. 【請求項５】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（302）を、前記膨張手段（3
    28）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。
  6. 【請求項６】前記膨張手段（328）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。
  7. 【請求項７】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６
    記載のプロセス。
  8. 【請求項８】膨張手段（328）から得られるワークアウ
    トプットの全てが、前記蒸留塔（332）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（302）
    を圧縮するのに使用され、本プロセスに対して外部源
    （471）から冷却作用を与える工程をさらに含む、請求
    項１記載のプロセス。
  9. 【請求項９】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８記
    載のプロセス。
  10. 【請求項１０】前記ガス状供給空気を前記熱交換器（31
    2）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。
  11. 【請求項１１】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ブである、請求項10
    記載のプロセス。
  12. 【請求項１２】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。
  13. 【請求項１３】（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（312）； （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（334）と酸素含量の多い塔底液（33
    6）に分離するための蒸留塔（332）； （ｄ）前記ガス状窒素オーバーヘッドの少なくとも一部
    （348）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（336）との間接的な熱交換によ
    って酸素含量の多いガス流れ（340）を形成させるため
    の凝縮器（346）； （ｅ）過半量の低温液体窒素流れを前記凝縮器（346）
    から前記蒸留塔（332）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（346）からの酸素含量の多い前記ガ
    ス流れ（340）の第１の部分（302）を蒸留塔（332）の
    温度とほぼ同じ温度で圧縮して圧力を増大させるための
    第２の圧縮機（370）；及び （ｇ）酸素含量の多い前記高圧ガス流れ（303）を前記
    蒸留塔（332）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（317）が前記熱交
    換器（312）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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