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JP7709951B2 - 窒素製造装置の運転方法 - Google Patents
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JP7709951B2 - 窒素製造装置の運転方法 - Google Patents

窒素製造装置の運転方法

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Description

本発明は、窒素製造装置の運転方法に関し、より詳しくは、原料空気を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（窒素ガス、液体窒素）を採取する窒素製造装置の運転方法に関する。
窒素の工業的な製造には深冷液化分離法によって空気液化分離させる方法が多く採用されている。このような、深冷液化分離法を利用して工業的に窒素を製造する方法として、二塔式窒素製造装置プロセスを採用した窒素製造方法が開示されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
特許文献１及び特許文献２で開示されている窒素製造方法は、精留塔を２塔備えた二塔式窒素製造装置を用い、精留塔を１塔だけ備えた単塔式窒素製造装置を用いての単塔式窒素製造装置プロセスでは破棄されていた（一方の）精留塔から出た廃ガスを他方の精留塔の原料として導入することで、製品収率や動力原単位を大幅に改善することが可能となっている。
図１は、特許文献１でも用いられる精留塔を２塔備えたいわゆる二塔式窒素製造装置の装置構成の一例を示す系統図であって、この図を用いて、従来の基本運転方法について説明する。
まず、この窒素製造装置は、原料空気圧縮機３で所定の圧力まで昇圧され、前処理吸着器４で精製された後に、保冷外槽５内の主熱交換器６で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８と、前記第１窒素ガスと減圧弁１６で減圧した前記第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酸素富化ガス流体を得る第１凝縮器１３と、前記第１酸素富化ガス流体の一部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５１と、前記第２窒素ガスと減圧弁６３で減圧した前記第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５８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１１と、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５６と、第１精留塔８の下部と第２精留塔５１の下部とを弁６２を介して連結する第１酸素富化液化流体合流経路６１と、前記第１酸素富化ガス流体の一部を断熱膨張させる膨張タービン２４と、前記第２製品窒素ガスを圧縮する窒素圧縮機５４とを備えている。
また、この窒素製造装置は、液化窒素貯槽８０に貯蔵されている液化窒素を前記第１精留塔８及び前記第２精留塔５１に導入する液化窒素注入経路７１，７２を備えている。
次に、この装置の基本運転について説明する。まず、経路１からフィルター２を経て取り入れられた原料空気は、原料空気圧縮機３で所定の圧力に圧縮され、前処理吸着器４で水分や二酸化炭素等の不純物が除去されて精製された後、保冷外槽５内の主熱交換器６で製品窒素ガスや廃ガスと熱交換を行って所定の温度に冷却される。
圧縮、精製、冷却後の原料空気は、主熱交換器６から原料空気流入経路７を通って第１精留塔８の下部に導入され、第１精留塔８内での深冷液化分離法による低温蒸留により、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８においては、圧縮、精製、冷却後の原料空気が原料空気流入経路７から塔下部に導入され、この第１精留塔８内での深冷液化分離法による低温蒸留により、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される。
塔上部から経路９に抜き出された前記第１窒素ガスは、一部が経路１０に分岐して主熱交換器６で前記原料空気と熱交換を行い、熱回収された後に第１製品回収経路１１から第１製品窒素ガスとして導出される。また、残部の第１窒素ガスは、経路１２を通って第１凝縮器１３に導入される。
この第１凝縮器１３には、第１精留塔８の下部から抜き出されて減圧弁１６で所定圧力に減圧された前記第１酸素富化液化流体が経路１７から導入され、この第１酸素富化液化流体と前記第１窒素ガスとが間接熱交換を行い、第１窒素ガスが凝縮液化して第１液化窒素になると同時に、第１酸素富化液化流体が蒸発ガス化して第１酸素富化ガス流体となる。前記第１液化窒素は、経路１４を通って第１精留塔８の上部に導入されて還流液となる。
一方、第１凝縮器１３から経路１８に導出した前記第１酸素富化ガス流体は、一部が第２精留塔５１に向かう経路５０に分岐した後、残部の極一部が弁１９で減圧されて経路２０に分岐し、主熱交換器６で前記原料空気と熱交換を行って熱回収され、廃ガスとして廃ガス導出経路２１から導出される。
また、経路５０及び経路２０に分岐しなかった第１酸素富化ガス流体は、経路２２を通って主熱交換器６に導入され、中間温度まで昇温して経路２３に抜き出され、膨張タービン２４に流入して断熱膨張することにより、装置の運転に必要な寒冷を発生した後、経路２０の第１酸素富化ガス流体に合流し、主熱交換器６で熱回収後に前記廃ガス導出経路２１から廃ガスとして導出される。
経路５０から第２精留塔５１の下部に導入された第１酸素富化ガス流体は、この第２精留塔５１内での低温蒸留により、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分離する。塔上部から経路５２に抜き出された前記第２窒素ガスは、一部が経路５３に分岐して主熱交換器６で前記原料空気と熱交換を行い、熱回収された後に前記窒素圧縮機５４で所定圧力に圧縮されて第２製品回収経路５６から第２製品窒素ガスとして導出される。また、残部の第２窒素ガスは、経路５７を通って第２凝縮器５８に導入される。
この第２凝縮器５８には、第２精留塔５１の下部から抜き出された第２酸素富化液化流体と、第１精留塔８の下部から抜き出されて第１酸素富化液化流体合流経路６１に分岐した第１酸素富化液化流体とが合流した後、減圧弁６３で減圧されて所定温度で経路６４から導入されており、合流後の第２酸素富化液化流体と前記第２窒素ガスとが間接熱交換を行い、第２窒素ガスが凝縮液化して第２液化窒素になると同時に、第２酸素富化液化流体が蒸発ガス化して第２酸素富化ガス流体となる。前記第２液化窒素は、経路５９を通って第２精留塔５１の上部に導入されて還流液となる。
一方、第２凝縮器５８から経路６５に導出した前記第２酸素富化ガス流体は、弁６６で減圧されてから前記経路２０に合流し、主熱交換器６で前記原料空気と熱交換を行って熱回収された後、廃ガスとして廃ガス導出経路２１から導出される。
第１製品回収経路１１と第２製品回収経路５６とは下流側で経路７０として一つの経路になるように合流し、第１製品窒素ガスとが第２製品窒素ガスが導出される。
以上が二塔式窒素製造装置の構成及びその基本運転方法であるが、図１（特許文献１）の運転方法においては、さらに、装置の運転状態や必要寒冷量に応じて、液化窒素貯槽８０に貯蔵されている液化窒素を第１精留塔８や第２精留塔５１に導入することで、各精留塔の運転に必要な寒冷源とすることができる。
特許第３７３８２１３号公報 特許第４４５１４３８号公報
しかしながら、深冷液化分離法を利用して工業的に窒素を製造する窒素製造装置については、動力を多量に消費するため、更なる低減単位化が求められている。
そこで、本発明は、このような要望に鑑み、消費動力の更なる低減、及び更なる動力原単位の低減が可能な窒素製造装置の運転方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の窒素製造装置の運転方法は、圧縮、精製、冷却された原料空気を深冷液化分離法による低温蒸留により塔上部の第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酸素富化ガス流体を得る第１凝縮器と、前記第１酸素富化ガス流体の少なくとも一部を深冷液化分離法による低温蒸留により塔上部の第２窒素ガスと塔底部の第２酸素富化液化流体とに分離する第２精留塔と、前記第２窒素ガスと前記第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酸素富化ガス流体の一部が導入される膨張タービンと、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、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製品回収経路と、前記第１液化窒素の少なくとも一部を抜き出して、液化窒素貯槽に導入するための第１液化窒素導出経路と、前記液化窒素貯槽から液化窒素を前記第２精留塔に導入するための液化窒素注入経路と、を備えた窒素製造装置の運転方法であって、前記第１液化窒素の少なくとも一部を前記第１液化窒素導出経路から抜き出し、前記液化窒素貯槽に導入する液採取運転と、前記液採取運転により前記液化窒素貯槽に導入された前記第１液化窒素を前記第２精留塔に導入するとともに前記膨張タービンの運転を停止する液注入運転と、を交互に繰り返すことを特徴としている。
さらに、本発明の窒素製造装置の運転方法は、前記液注入運転における第２製品窒素ガス量は、前記液採取運転における第２製品窒素ガス量よりも多いことが好ましい。
本発明によれば、液採取運転をメインとすると、従来の基本運転とほぼ同等の電力で液化窒素が採取可能となり、液注入運転をメインとすると、従来の基本運転とほぼ同等の製品量で電力を削減可能となることから、液採取運転と液注入運転とを交互に適宜繰り返すことにより、動力の低減あるいは消費動力の差分を液化窒素として貯蔵することが可能となる。
従来の基本運転方法を実施する窒素製造装置の一例を示す系統図である。 実施形態で用いられる窒素製造装置の本発明に係る装置の運転方法を適用した液採取運転を示す系統図である。 実施形態で用いられる窒素製造装置の本発明に係る装置の運転方法を適用した液注入運転を示す系統図である。
以下に、図２及び図３を参照して本発明の一実施形態である二塔式窒素製造装置及びその窒素製造装置の運転方法を説明する。なお、以下の説明において、前記図１に記載した窒素製造装置の構成要素と同一の構成要素で、同一の機能を有するものには同一符号を付して、運転方法を含めて詳細な説明は省略する。
図２及び図３に示される窒素製造装置は、図１と同じく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であり、精留塔を２塔備えたいわゆる二塔式窒素製造装置である。なお、図１に示される窒素製造装置との相違点として、図１の装置の場合、液化窒素貯槽８０から第１精留塔８に液化窒素を導入するための液化窒素注入経路７１を備えているが、本実施形態で示される窒素製造装置については、経路１４から分岐して、第１液化窒素の一部を液化窒素貯槽８０に導入するための第１液化窒素導出経路１５を備えている。
また、いわゆる二塔式窒素製造装置は、運転圧力が異なる精留塔から構成されている。すなわち、第１精留塔８下部から採取される第１酸素富化液化流体を減圧・気化させ第一酸素富化ガス流体としたものが第２精留塔５１に導入されるため、第２精留塔５１の運転圧力は第１精留塔８よりも低くなる。
本形態例における窒素製造装置の運転方法は、上述した基本運転ではなく、各部を制御して以下で説明するような液採取運転と液注入運転とを交互に繰り返すものである。平均の電力消費量を低減するように液採取運転と液注入運転とを交互に適宜切り替えて運転される。
（液採取運転）
まず図２を用いて、本発明の液採取運転について説明する。液採取運転では、上述した基本運転と異なり、第１凝縮器１３で液化した第１液化窒素は、経路１４を通って第１精留塔８の上部に導入されて還流液となるが、その一部を第１液化窒素導出経路１５から抜き出し、液化窒素貯槽８０に送液される。なお、液採取運転では第１製品窒素ガスにプラスして更に第１液化窒素を採取する分、基本運転と同じ第１製品窒素ガスを採取する場合には、基本運転時よりも原料空気量を増量する必要がある。
（液注入運転）
次に、図３を用い、本発明の液注入運転について説明する。液注入運転では、上述した基本運転と異なり、膨張タービン２４の運転を停止させ、代わりに寒冷源として液化窒素を使用する。この場合、液化窒素貯槽８０から液化窒素注入経路７２より第２精留塔５１上部へ液化窒素を送液する。なお、前述したように、第１精留塔８下部から採取される第１酸素富化液化流体を減圧・気化させ第一酸素富化ガス流体としたものが第２精留塔５１に導入されるため、第２精留塔５１の運転圧力は第１精留塔８よりも低くなる。このため、第１精留塔８から第１液化窒素導出経路１５を通じて液化窒素貯槽８０に送液した液化窒素を、液ポンプを使うことなく液化窒素注入経路７２から第２精留塔５１に導入できる。
また、液注入運転時は膨張タービン２４が停止しているため、前記第一酸素富化ガス流体は全量が経路５０を通り第２精留塔５１に導入される。
液注入運転における第１精留塔８に導入される原料空気量は、液採取運転における第１精留塔８に導入される原料空気量よりも少なくなる。また、液注入運転における第２製品窒素ガス量は、液採取運転における第２製品窒素ガス量よりも多くなる。
本実施形態における窒素製造装置の運転方法では、第１液化窒素の少なくとも一部を第１液化窒素導出経路から抜き出す液採取運転と、液採取運転で抜き出された第１液化窒素の少なくとも一部を液化窒素注入経路７２から第２精留塔５１に注入するとともに膨張タービン２４の運転を停止する液注入運転と、を適宜切り替えて、交互に繰り返して運転する。
（液採取運転をメインとした場合）
表１は基本運転を２４時間行った場合と、一日のうち１５時間液採取運転、９時間液注入運転を行う液採取運転をメインとした場合との比較を示す。
この液採取運転をメインとした場合では、動力は基本運転とほぼ同等の６５５ｋＷとなるが、液化窒素を８８８Ｎｍ３採取することができる。液採取運転をメインとした場合では、基本運転とほぼ同等の動力で液体窒素を空気量の０．４％採取可能である。
（液注入運転をメインとした場合）
表２は基本運転を２４時間行った場合と、一日のうち１０時間液採取運転、１４時間液注入運転を行う液注入運転をメインとした場合の比較を示す。
この液注入運転をメインとした場合では、液採取運転で採取した液化窒素１０００Ｎｍ３に対し、９５２Ｎｍ３を注入することになるが、動力合計が６３５ｋＷとなり基本運転の６５４ｋＷと比べて動力を３％削減できることが分かる。液注入運転をメインとした場合では、生産した液をほぼ注入に回すことで基本運転より動力を３％削減可能である。
液注入運転をメインとすると、基本運転とほぼ同等の製品量で電力を削減可能であり、液採取運転をメインとすると、基本運転とほぼ同等の電力で液体窒素を採取可能であるため、実施形態のように液採取運転と液注入運転とは適宜切り替えて装置の運転を行えば、深冷液化分離法を利用して工業的に窒素を製造する際に、使用する装置の消費動力の更なる低減、及び更なる動力原単位の低減が可能である。
本実施形態では、第１精留塔８から第１液化窒素導出経路１５を通じて液化窒素貯槽８０に送液した液化窒素を、液ポンプを使うことなく液化窒素注入経路７２から第２精留塔５１に導入できるため、液注入にかかる動力を削減できる。なお、従来の単式精留塔では、精留塔から液化窒素を採取する場合、液化窒素貯槽の圧力は精留塔の運転圧力より低くなるため、液化窒素の注入には液ポンプが必要となる。
また、液注入運転では、膨張タービン２４が停止しているため、その分の第１酸素富化ガス流体を第２精留塔５１に導入できる。第２精留塔５１は運転圧力が低いことから比揮発度が大きく、製品収率が高いため、導入される酸素富化ガス流体が増加した分、第２製品窒素ガスが多く採取できるようになる。液注入運転では、基本運転時と同じ量の製品窒素ガスを採取する場合と比べて原料空気を減らすことができ、基本運転と比べて原料空気圧縮機３の減量運転をすることができる。一方で、第２製品窒素ガスが増えることで窒素圧縮機５４の動力は増加する。しかしながら、装置動力の大部分を占める原料空気圧縮機３の動力が下がる影響が大きいことから、装置全体で見れば平均動力を低減することができる。
また、液採取運転は製品窒素ガスにプラスして更に液化窒素を採取する分、基本運転と同じ製品窒素ガスを採取する場合は、基本運転時よりも原料空気量を増量する必要がある。そのため原料空気圧縮機３の動力が上昇し液採取運転の動力は大きくなるが、液注入運転と組み合わせることで動力上昇の影響を相殺することができる。よって、液注入運転と液採取運転とを適宜切り替えることにより、基本運転とほぼ同等の動力、同じ製品窒素ガス量で更に液化窒素を採取することが可能となる。
また、このような液採取運転を行うことで、余剰電力をいわば液化窒素の形態で貯蔵することが可能となる。すなわち、基本的には電力需要が少なく電気料金が安価な夜間に液採取運転を行って液化窒素を貯蔵し、昼間にこの採取した液化窒素を消費する液注入運転を行うことで電力コストを抑制できる。
なお、２０２１年４月に施行された改正省エネ法では、「電気の需要の平準化」の概念が追加され、全国一律で７～９月(夏季)、及び１２月～３月(冬期)の８時～２２時の間で、節電や、電気を使用する時間帯をずらすなど電気需要平準化に資する措置を行うことが明記された。これに伴いデマンドレスポンス（時間的に変化する電力価格、もしくは卸電力価格高騰時や需給ひっ迫時に電力使用を減らすように設計された報酬に反応して、最終需要家自らが通常の電力消費パターンから電力使用を変化させる仕組み）の活用が期待されており、本実施形態のように液採取／液注入運転を行うことでデマンドレスポンスの導入による更なる電気料金の低減を図ることができ、電力網の安定化にも寄与することができる。
なお、本実施形態で示した窒素製造装置は一例であり、また、各図面は必ずしも窒素製造装置の全ての構成を反映したものではない。さらに、運転方法についても、液採取運転と液注入運転を繰り返すだけでなく、適宜基本運転等と組み合わせることもできる。

１…経路、２…フィルター、３…原料空気圧縮機、４…前処理吸着器、６…主熱交換器、８…第１精留塔、１１…第１製品回収経路、１３…第１凝縮器、１５…第１製品液化窒素導出経路、１６…減圧弁、２１…廃ガス導出経路、２４ 膨張タービン、５１…第２精留塔、５４…窒素圧縮機、５６…第２製品回収経路、５８…第２凝縮器、６１…第１酸素富化液化流体合流経路、６３…減圧弁、７２…液化窒素注入経路、８０…液化窒素貯槽

Claims (2)

  1. 圧縮、精製、冷却された原料空気を深冷液化分離法による低温蒸留により塔上部の第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酸素富化ガス流体を得る第１凝縮器と、
    前記第１酸素富化ガス流体の少なくとも一部を深冷液化分離法による低温蒸留により塔上部の第２窒素ガスと塔底部の第２酸素富化液化流体とに分離する第２精留塔と、
    前記第２窒素ガスと前記第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酸素富化ガス流体の一部が導入される膨張タービンと、
    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、
    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製品回収経路と、
    前記第１液化窒素の少なくとも一部を抜き出して、液化窒素貯槽に導入するための第１液化窒素導出経路と、
    前記液化窒素貯槽から液化窒素を前記第２精留塔に導入するための液化窒素注入経路と、を備えた窒素製造装置の運転方法であって、
    前記第１液化窒素の少なくとも一部を前記第１液化窒素導出経路から抜き出し、前記液化窒素貯槽に導入する液採取運転と、
    前記液採取運転により前記液化窒素貯槽に導入された前記第１液化窒素を前記第２精留塔に導入するとともに前記膨張タービンの運転を停止する液注入運転と、
    を交互に繰り返すことを特徴とする窒素製造装置の運転方法。
  2. 前記液注入運転における第２製品窒素ガス量は、前記液採取運転における第２製品窒素ガス量よりも多いことを特徴とする請求項１記載の窒素製造装置の運転方法。
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