DE69023141T2 - METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING HIGH PURITY NITROGEN. - Google Patents
METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING HIGH PURITY NITROGEN.Info
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage für die Erzeugung von hochreinem Stickstoff entsprechend den Merkmalen der Präambel des Anspruchs 1 und bzw. des Anspruchs 9.The present invention relates to a method and a plant for the production of high-purity nitrogen according to the features of the preamble of claim 1 and claim 9 respectively.
Ein derartiges Verfahren und eine entsprechende Anlage sind beispielsweise aus dem JP-A-62-141485 bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird eine Rektifizierkolonne eingesetzt, um die hochsiedenden Komponenten, wie beispielsweise Sauerstoff, Monoxid, usw., vom Stickstoff zu trennen. Wenn der Stickstoff niedrigsiedende Komponenten enthält, können die Komponenten nicht in der folgenden Unterrektifizierkolonne getrennt werden, und es kann kein ultrareiner Stickstoff erhalten werden.Such a process and a corresponding plant are known, for example, from JP-A-62-141485. In the known process, a rectification column is used to separate the high-boiling components, such as oxygen, monoxide, etc., from nitrogen. If the nitrogen contains low-boiling components, the components cannot be separated in the following lower rectification column and ultra-pure nitrogen cannot be obtained.
Fig. 4 ist ein Schema, das ein Beispiel einer konventionellen Anlage für die Erzeugung von hochreinem Stickstoff zeigt. Nachdem eine derartige Behandlung, wie eine Verdichtung und Abkühlung, in dieser Anlage erfolgt sind, wird die Luft, die Stickstoff einschließt und als Substanz dient (worauf man sich hierin nachfolgend als gasförmige Substanz bezieht), zu einer Molekularsiebadsorptionsanlage 10 transportiert. Die in der gasförmigen Substanz eingeschlossenen Verunreinigungen werden entfernt, indem sie in der Molekularsiebadsorptionsanlage 10 adsorbiert werden. Anschließend wird die gasförmige Substanz zu einem Wärmetauscher 14 transportiert, der in der Kältebox 12 vorhanden ist. In diesem Stadium ist die gasförmige Substanz frei von Wasser, Kohlendioxid (CO&sub2;) und dergleichen. Derartige Verunreinigungen, wie Wasserstoff, Helium und Neon, sind dennoch in der gasförmigen Substanz eingeschlossen. In diesem Zustand wird die gasförmige Substanz direkt in den unteren Abschnitt einer Fraktionierkolonne 16 eingeführt, in der das Rektifizieren erfolgt. Sauerstoff und Kohlenwasserstoff, wie beispielsweise Methan, die hohe Siedepunkte aufweisen, werden aus der gasförmigen Substanz durch Rektifizieren in der Rektifizierkolonne 16 entfernt. Folglich wird der Stickstoff aus der Rektifizierkolonne 16 als Produkt extrahiert.Fig. 4 is a diagram showing an example of a conventional plant for producing high-purity nitrogen. After such treatment as compression and cooling are carried out in this plant, the air including nitrogen and serving as a substance (hereinafter referred to as a gaseous substance) is transported to a molecular sieve adsorption plant 10. The impurities included in the gaseous substance are removed by being adsorbed in the molecular sieve adsorption plant 10. Then, the gaseous substance is transported to a heat exchanger 14 provided in the cold box 12. At this stage, the gaseous substance is free of water, carbon dioxide (CO₂) and the like. Such impurities as hydrogen, helium and neon are nevertheless included in the gaseous substance. In this state, the gaseous substance is directly introduced into the lower section of a fractionating column 16 in which rectification is carried out. Oxygen and hydrocarbon such as methane, which have high boiling points, are removed from the gaseous substance by rectification in the rectification column 16. Consequently, the nitrogen is extracted from the rectification column 16 as a product.
Gasförmige Verunreinigungen, wie beispielsweise Wasserstoff, Helium und Neon, zeigen einen Siedepunkt, der niedriger ist als der des Stickstoffs (worauf man sich hierin nachfolgend als niedrigsiedendes Gas bezieht). Das niedrigsiedende Gas steigt in der Rektifizierkolonne 16 nach oben, ohne daß darin eine Verflüssigung erfolgt, und es wird in einem Kondensator 161 aufbewahrt, der in der obersten Stufe der Rektifizierkolonne 16 vorhanden ist. Wenn es im Kondensator 161 verbleibt, beeinträchtigt das niedrigsiedende Gas, bei dem es sich um ein nicht kondensierbares Gas handelt, den Wirkungsgrad des Kondensators 161. Außerdem besteht die Wahrscheinlichkeit, daß das nicht kondensierbare Gas in nachteiliger Weise die Reinheit des erzeugten Stickstoffs beeinflußt, der aus der Rektifizierkolonne 16 extrahiert werden soll.Gaseous impurities such as hydrogen, helium and neon exhibit a boiling point lower than that of nitrogen (hereinafter referred to as low boiling gas). The low boiling gas rises up the rectification column 16 without being liquefied therein and is stored in a condenser 161 provided in the uppermost stage of the rectification column 16. If it remains in the condenser 161, the low boiling gas, which is a non-condensable gas, impairs the efficiency of the condenser 161. In addition, the non-condensable gas is likely to adversely affect the purity of the produced nitrogen to be extracted from the rectification column 16.
Angesichts dessen wurde das folgende Verfahren übernommen:In view of this, the following procedure was adopted:
Das nicht kondensierbare Gas, das im Kondensator 161 aufbewahrt wird, wird bei Verwendung von Stickstoff abgeführt. Außerdem wird der Stickstoff aus einer Stufe extrahiert, die unterhalb der liegt, in der der Kondensator 161 vorhanden ist, wodurch in höchstem Maße die Wahrscheinlichkeit verhindert wird, daß das nicht kondensierbare Gas in den erzeugten Stickstoff eingemischt wird. Das bewirkt eine starke Verbesserung der Reinheit des erzeugten Stickstoffs.The non-condensable gas stored in the condenser 161 is discharged when nitrogen is used. In addition, the nitrogen is extracted from a stage lower than that in which the condenser 161 is present, thereby preventing to the greatest extent the possibility of the non-condensable gas being mixed into the nitrogen produced. This brings about a great improvement in the purity of the nitrogen produced.
Das vorangehend angeführte konventionelle Verfahren bringt jedoch die folgenden Probleme mit sich.However, the conventional method mentioned above brings with it the following problems.
Wie vorangehend beschrieben wird, ist mit dem Fortschritt der neuesten Technologie für die Halbleiterproduktion ein großer Bedarf an Stickstoff mit einer höheren Reinheit vorhanden. Gegenwärtig ist die Forderung zu verzeichnen, daß das niedrigsiedende Gas, wie beispielsweise Wasserstoff, Helium und Neon, ebenfalls als Verunreinigung aus der gasförmigen Substanz zu entfernen ist.As described above, with the advancement of the latest technology for semiconductor production, there is a great demand for nitrogen with a higher purity. At present, there is a requirement that the low boiling point gas such as hydrogen, helium and neon should also be removed as an impurity from the gaseous substance.
Da es jedoch einen Siedepunkt aufweist, der niedriger ist als der des Stickstoffs, ist das niedrigsiedende Gas im Überfluß in dem Gas eingeschlossen, das in der Rektifizierkolonne 16 nach oben steigt, genau nachdem es dort eingeführt wurde. Genau gesagt, die Konzentration des niedrigsiedenden Gases im aufsteigenden Gas entspricht im wesentlichen der der gasförmigen Substanz, wenn sie in den unteren Abschnitt der Rektifizierkolonne 16 eingeführt wird. Dementsprechend kann das konventionelle Verfahren, bei dem das im Kondensator 161 aufbewahrte nicht kondensierbare Gas abgeführt wurde und der erzeugte Stickstoff aus der Stufe extrahiert wird, die unterhalb der liegt, in der der Kondensator 161 vorhanden ist, eine ausreichende Wirksamkeit derart aufweisen, daß eine Verringerung der Reinheit des erzeugten Stickstoffs infolge des nicht kondensierbaren Gases verhindert wird. Ein derartiges konventionelles Verfahren zeigt jedoch eine Schwierigkeit bei der wesentlichen Reduzierung der Konzentration des niedrigsiedenden Gases im erzeugten Stickstoff.However, since it has a boiling point lower than that of nitrogen, the low boiling point gas is included in abundance in the gas rising up the rectification column 16 just after it is introduced therein. Specifically, the concentration of the low boiling point gas in the rising gas is substantially the same as that of the gaseous substance when it is introduced into the lower portion of the rectification column 16. Accordingly, the conventional method in which the non-condensable gas stored in the condenser 161 and the nitrogen produced is extracted from the stage below that in which the condenser 161 is present, have sufficient efficiency to prevent a reduction in the purity of the nitrogen produced due to the non-condensable gas. However, such a conventional method has a difficulty in substantially reducing the concentration of the low boiling point gas in the nitrogen produced.
Was den Wasserstoff betrifft, eine Art des niedrigsiedenden Gases, so ist bekannt, daß, wenn der Wasserstoff zur Reaktion mit dem Sauerstoff in der gasförmigen Substanz beim Vorhandensein eines Katalysators veranlaßt wird, die Konzentration des Wasserstoffs in der gasförmigen Substanz bis zu einer Größenordnung von nur 0,1 T./Mio. reduziert werden kann. Die verbleibenden 0,1 T./Mio. Wasserstoff können jedoch nicht aus der gasförmigen Substanz entfernt werden, und daher kann keine weitere Reduzierung der Konzentration an Wasserstoff erfolgen.As for hydrogen, a type of low boiling point gas, it is known that if hydrogen is made to react with oxygen in the gaseous substance in the presence of a catalyst, the concentration of hydrogen in the gaseous substance can be reduced to the order of only 0.1 t/million. However, the remaining 0.1 t/million of hydrogen cannot be removed from the gaseous substance and therefore no further reduction in the concentration of hydrogen can be achieved.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein derartiges Verfahren und eine Anlage für die Herstellung von hochreinem Stickstoff zur Verfügung zu stellen, um die vorangegangenen Probleme zu lösen.It is an object of the invention to provide such a process and a plant for the production of high-purity nitrogen in order to solve the above problems.
Dementsprechend weist das Verfahren der Erfindung die Schritte auf, die in Anspruch 1 definiert werden.Accordingly, the method of the invention comprises the steps defined in claim 1.
Entsprechend dem vorangehend angeführten Verfahren schließt das Gas, das in der Hauptrektifizierkolonne nach oben steigt, niedrigsiedendes Gas im Überfluß ein. Es ist jedoch nur eine sehr kleine Menge an niedrigsiedendem Gas in dem flüssigen Stickstoff eingeschlossen, der aus der Hauptrektifizierkolonne extrahiert wird. Außerdem wird der flüssige Stickstoff in die Unterrektifizierkolonne eingeführt, in der ein weiteres Rektifizieren erfolgt. Das niedrigsiedende Gas, das im flüssigen Stickstoff eingeschlossen ist, wird bis zur Verdampfung erwärmt, und das verdampfte niedrigsiedende Gas tritt in der Unterrektifizierkolonne langsam nach oben aus. Dementsprechend wird der erzeugte Stickstoff aus einer Position extrahiert, die unterhalb der Position liegt, aus der der flüssige Stickstoff in die Unterrektifizierkolonne eingeführt wird, wodurch der erzeugte Stickstoff die höchste Reinheit aufweist.According to the above-mentioned method, the gas rising up the main rectification column includes low boiling point gas in abundance. However, only a very small amount of low boiling point gas is included in the liquid nitrogen extracted from the main rectification column. In addition, the liquid nitrogen is introduced into the sub-rectification column where further rectification is carried out. The low boiling point gas included in the liquid nitrogen is heated to vaporization, and the vaporized low boiling point gas slowly exits upward in the sub-rectification column. Accordingly, the produced nitrogen is extracted from a position lower than the position from which the liquid nitrogen is introduced into the sub-rectification column, whereby the produced nitrogen has the highest purity.
Außerdem weist eine Anlage entsprechend der Erfindung die Merkmale auf, die im Anspruch 9 beansprucht werden.Furthermore, a system according to the invention has the features claimed in claim 9.
Fig. 1 ist ein Schema, das den gesamten Aufbau einer typischen Anlage für die Erzeugung von hochreinem Stickstoff entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt;Fig. 1 is a diagram showing the entire structure of a typical plant for producing high-purity nitrogen according to the present invention;
Fig. 2 ist ein Schema, das den gesamten Aufbau einer anderen Anlage für die Erzeugung von hochreinem Stickstoff entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt,Fig. 2 is a diagram showing the entire structure of another plant for producing high-purity nitrogen according to the present invention,
Fig. 3 ist ein Schema, das den gesamten Aufbau einer noch weiteren Anlage für die Erzeugung von hochreinem Stickstoff entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt; undFig. 3 is a diagram showing the entire structure of still another plant for producing high-purity nitrogen according to the present invention; and
Fig. 4 ist ein Schema, das eine konventionelle Anlage für die Erzeugung von hochreinem Stickstoff zeigt, die der Erläuterung dient.Fig. 4 is a diagram showing a conventional plant for the production of high-purity nitrogen for explanatory purposes.
Fig. 1 ist ein Schema, das eine typische Anlage für die Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Anlage ist mit einer Molekularsiebadsorptionsanlage 10 und einer Kältebox 12 versehen. Die Kältebox 12 weist auf: einen Hauptwärmetauscher 14, eine Hauptrektifizierkolonne 16, eine Expansionsturbine 18 und eine Unterrektifizierkolonne. Die Kondensatoren 161, 201 sind auf den obersten Stufen der Hauptrektifizierkolonne 16 und bzw. der Unterrektifizierkolonne 20 vorhanden.Fig. 1 is a diagram showing a typical plant for carrying out the process of the present invention. The plant is provided with a molecular sieve adsorption plant 10 and a cold box 12. The cold box 12 comprises: a main heat exchanger 14, a main rectification column 16, an expansion turbine 18 and a sub-rectification column. The condensers 161, 201 are present on the uppermost stages of the main rectification column 16 and the sub-rectification column 20, respectively.
Als nächstes wird ein Verfahren für die Erzeugung von hochreinem Stickstoff beschrieben, das in der so konstruierten Anlage durchgeführt wird.Next, a process for the production of high-purity nitrogen is described, which is carried out in the plant thus constructed.
Zuerst wird Luft durch die Molekularsiebadsorptionsanlage 10 geführt, um die Verunreinigungen aus der gasförmigen Substanz zu entfernen. Anschließend wird das Gas durch den Hauptwärmetauscher 14 durch einen Lufteinlaßkanal 11 geführt. Die Expansionsturbine 18 funktioniert, um das Abgas von der Rektifizierkolonne 16 und der Unterrektifizierkolonne 20 adiabatisch auszudehnen. Das adiabatisch ausgedehnte Abgas wird ebenfalls durch den Hauptwärmetauscher 14 geführt. Die Luft wird durch den Wärmeaustausch mit dem Abgas im Wärmetauscher 14 auf etwa -170 ºC abgekühlt. Die Luft wird danach in die Hauptrektifizierkolonne 16 eingeführt, wobei sie auf diese Temperatur abgekühlt ist.First, air is passed through the molecular sieve adsorption unit 10 to remove the impurities from the gaseous substance. Then, the gas is passed through the main heat exchanger 14 through an air inlet channel 11. The expansion turbine 18 functions to remove the exhaust gas from the rectification column 16 and the sub-rectification column 20. The adiabatically expanded exhaust gas is also passed through the main heat exchanger 14. The air is cooled to about -170 ºC by the heat exchange with the exhaust gas in the heat exchanger 14. The air is then introduced into the main rectification column 16, where it is cooled to this temperature.
In der Rektifizierkolonne 16 kommen die nach unten strömende Flüssigkeit und die aufsteigenden Dämpfe miteinander in Berührung, wodurch das Rektifizieren erfolgt. Die niedrigsiedenden Komponenten werden stärker konzentriert, während sie in der Rektifizierkolonne 16 nach oben steigen. Andererseits werden die hochsiedenden Komponenten stärker konzentriert, während sie sich zum Boden der Rektifizierkolonne 16 bewegen. Jedes niedrigsiedende Gas (eine Verunreinigung, wie beispielsweise Wasserstoff, Helium und Neon), das in der gasförmigen Substanz eingeschlossen ist, weist einen Siedepunkt auf, der niedriger ist als der des Stickstoffs. Dementsprechend ist ein derartig niedrigsiedendes Gas im Überfluß in den aufsteigenden Dämpfen eingeschlossen und oben in der Kolonne 16 konzentriert. Es ist jedoch nur eine sehr kleine Menge des niedrigsiedenden Gases im flüssigen Stickstoff eingeschlossen, der in der Rektifizierkolonne 16 nach unten fließt. Angesichts dessen wird der flüssige Stickstoff aus einer Stufe extrahiert, die unterhalb der obersten Stufe der Rektifizierkolonne 16 liegt. Der extrahierte flüssige Stickstoff wird zu einer mittleren Stufe der Unterrektifizierkolonne 20 durch einen Transportkanal 22 für den flüssigen Stickstoff transportiert.In the rectification column 16, the liquid flowing downward and the vapors rising upward come into contact with each other, whereby rectification occurs. The low boiling point components become more concentrated as they rise upward in the rectification column 16. On the other hand, the high boiling point components become more concentrated as they move toward the bottom of the rectification column 16. Any low boiling point gas (an impurity such as hydrogen, helium and neon) included in the gaseous substance has a boiling point lower than that of nitrogen. Accordingly, such a low boiling point gas is included in abundance in the vapors rising upward and concentrated at the top of the column 16. However, only a very small amount of the low boiling point gas is included in the liquid nitrogen flowing downward in the rectification column 16. In view of this, the liquid nitrogen is extracted from a stage located below the uppermost stage of the rectification column 16. The extracted liquid nitrogen is transported to a middle stage of the lower rectification column 20 through a liquid nitrogen transport channel 22.
Der flüssige Stickstoff wird in der Unterrektifizierkolonne 20 rektifiziert, und das niedrigsiedende Gas, das im flüssigen Stickstoff in nur kleinen Mengen eingeschlossen ist, steigt infolge des Erwärmens nach oben. Das Stickstoffgas wird aus der Unterrektifizierkolonne 20 aus einer Position extrahiert, die unterhalb der liegt, aus der der flüssige Stickstoff eingeführt wird. Im Ergebnis dessen ist es möglich, Stickstoff mit einer übermäßig hohen Reinheit zu erzeugen. Der erzeugte Stickstoff wird durch einen Austrittskanal 24 für den erzeugten Stickstoff zum Hauptwärmetauscher 14 transportiert. Der erzeugte Stickstoff wird im Wärmetauscher 14 so erwärmt, daß durch den Wärmeaustausch mit der von außen zugeführten gasförmigen Substanz eine im wesentlichen normale Temperatur erreicht wird, und danach wird er aus der Anlage abgeführt.The liquid nitrogen is rectified in the sub-rectification column 20, and the low-boiling gas included in the liquid nitrogen in only small amounts rises upward due to heating. The nitrogen gas is extracted from the sub-rectification column 20 from a position lower than that from which the liquid nitrogen is introduced. As a result, it is possible to produce nitrogen with an excessively high purity. The produced nitrogen is transported to the main heat exchanger 14 through a produced nitrogen discharge passage 24. The produced nitrogen is heated in the heat exchanger 14 so that a substantially normal temperature is reached by heat exchange with the gaseous substance supplied from the outside, and thereafter it is discharged from the plant.
Beim vorangehend erwähnten Verfahren bevorzugt man, daß die Wärme des Stickstoffgases, das oben in der Rektifizierkolonne 16 vorhanden ist, als Wärmequelle genutzt wird, um den unteren Abschnitt der Unterrektifizierkolonne 20 zu erwärmen, d.h., als Wärmequelle für ein Destillationsgefäß der Kolonne 20. Genauer gesagt, der flüssige Stickstoff im unteren Abschnitt der Unterrektifizierkolonne 20 wird zum Kondensator 161 der Hauptrektifizierkolonne 16 durch einen Kanal 26 transportiert. Das Stickstoffgas, das im Kondensator 161 verdampft wird, wird zur Unterrektifizierkolonne 20 durch einen Kanal 27 transportiert. Die Kanäle 26 und 27 bilden einen Umlaufkanal für den flüssigen Stickstoff. Der flüssige Stickstoff, der nicht im Kondensator 161 verdampft wird, kann gemeinsam mit dem verdampften Stickstoffgas zur Unterrektifizierkolonne zurücktransportiert werden. Auf diese Weise tauscht der flüssige Stickstoff die Wärme mit dem Stickstoffgas im oberen Abschnitt der Kolonne 16 aus, wodurch der Stickstoff kondensiert. Der flüssige Stickstoff aus der Unterrektifizierkolonne 20 wird im Kondensator 161 durch die Kondensationswärme verdampft. Das verdampfte Stickstoffgas, das zur Unterrektifizierkolonne 20 zurücktransportiert wird, dient der Erwärmung des darin befindlichen niedrigsiedenden Gases. Auf diese Weise kann das Rektifizieren in der Kolonne 20 wirksam durchgeführt werden.In the above-mentioned method, it is preferable that the heat of the nitrogen gas present at the top of the rectification column 16 is used as a heat source to heat the lower portion of the sub-rectification column 20, that is, as a heat source for a distillation vessel of the column 20. More specifically, the liquid nitrogen in the lower portion of the sub-rectification column 20 is transported to the condenser 161 of the main rectification column 16 through a channel 26. The nitrogen gas vaporized in the condenser 161 is transported to the sub-rectification column 20 through a channel 27. The channels 26 and 27 form a circulation channel for the liquid nitrogen. The liquid nitrogen not vaporized in the condenser 161 can be transported back to the sub-rectification column together with the vaporized nitrogen gas. In this In this way, the liquid nitrogen exchanges heat with the nitrogen gas in the upper section of the column 16, whereby the nitrogen condenses. The liquid nitrogen from the sub-rectification column 20 is evaporated in the condenser 161 by the heat of condensation. The evaporated nitrogen gas, which is transported back to the sub-rectification column 20, serves to heat the low-boiling gas therein. In this way, the rectification in the column 20 can be carried out effectively.
Um den vorangehend erwähnten Wärmetausch gleichmäßig zu bewirken, ist es geeignet, den Betriebsdruck in der Unterrektifizierkolonne 20 um etwa 0,6 kg/cm² niedriger einzustellen als den in der Hauptrektifizierkolonne 16. Dementsprechend ist der Druck beim flüssigen Stickstoff reduziert, während er von der Hauptrektifizierkolonne 16 durch den Transportkanal 22 für den flüssigen Stickstoff zur Unterrektifizierkolonne 20 transportiert wird. Das bewirkt eine Reduzierung der Sättigungstemperatur des flüssigen Stickstoffs.In order to effect the above-mentioned heat exchange evenly, it is appropriate to set the operating pressure in the sub-rectification column 20 to be about 0.6 kg/cm² lower than that in the main rectification column 16. Accordingly, the pressure of the liquid nitrogen is reduced while it is transported from the main rectification column 16 to the sub-rectification column 20 through the liquid nitrogen transport channel 22. This causes a reduction in the saturation temperature of the liquid nitrogen.
Beim vorangehend angeführten Verfahren wird ebenfalls eine große Menge des Stickstoffgases zusammen mit dem niedrigsiedenden Gas in der Unterrektifizierkolonne 20 nach oben steigen. Dementsprechend bevorzugt man die Verflüssigung des Stickstoffgases im oberen Abschnitt der Unterrektifizierkolonne 20 und gewinnt es als flüssigen Stickstoff. In diesem Fall kann die auf dem Boden der Hauptrektifizierkolonne 16 abgeschiedene Flüssigkeit durch einen Flüssigkeitstransportkanal 28 zum oberen Abschnitt der Unterrektifizierkolonne 20 transportiert werden, wobei deren Druck reduziert ist. Dadurch kann der obere Abschnitt der Unterrektifizierkolonne 20 abgekühlt werden, wodurch eine wirksame Verflüssigung und Gewinnung von Stickstoffgas ermöglicht werden. Gleiche Wirkungen können in dem Fall erzielt werden, bei dem die in der Mitte der Hauptrektifizierkolonne 16 vorhandene Flüssigkeit durch einen Kanal, der dem Flüssigkeitstransportkanal 28 gleicht, zum oberen Abschnitt der Unterrektifizierkolonne 20 transportiert wird, wobei deren Druck reduziert ist.In the above-mentioned method, a large amount of nitrogen gas will also rise up the lower rectification column 20 together with the low-boiling gas. Accordingly, it is preferable to liquefy the nitrogen gas in the upper section of the lower rectification column 20 and recover it as liquid nitrogen. In this case, the liquid separated on the bottom of the main rectification column 16 can be transported through a liquid transport channel 28 to the upper section of the lower rectification column 20, the pressure of which is reduced. This allows the upper portion of the sub-rectification column 20 to be cooled, thereby enabling efficient liquefaction and recovery of nitrogen gas. Similar effects can be achieved in the case where the liquid present in the middle of the main rectification column 16 is transported through a channel similar to the liquid transport channel 28 to the upper portion of the sub-rectification column 20, the pressure of which is reduced.
Wie vorangehend beschrieben wird, wird entsprechend dem vorliegenden Verfahren hochreiner flüssiger Stickstoff aus der Hauptrektifizierkolonne 16 aus einer Stufe extrahiert, die unterhalb deren obersten Stufe liegt.. Der extrahierte flüssige Stickstoff wird danach in die Unterrektifizierkolonne 20 eingeführt. Folglich wird der erzeugte Stickstoff aus der Unterrektifizierkolonne 20 aus einer Position extrahiert, die unterhalb der Position der Einführung des flüssigen Stickstoffs liegt. Dementsprechend kann das niedrigsiedende Gas in der Luft, wie beispielsweise Wasserstoff, Helium und Neon, wirksam daraus entfernt werden, wodurch die Erzeugung von Stickstoff mit einer stark verbesserten Reinheit möglich wird.As described above, according to the present method, high purity liquid nitrogen is extracted from the main rectification column 16 from a stage lower than the uppermost stage thereof. The extracted liquid nitrogen is then introduced into the sub-rectification column 20. Consequently, the produced nitrogen is extracted from the sub-rectification column 20 from a position lower than the position of introducing the liquid nitrogen. Accordingly, the low boiling point gas in the air such as hydrogen, helium and neon can be effectively removed therefrom, thereby enabling the production of nitrogen with a greatly improved purity.
Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt die Konzentrationen von Helium, Neon und Wasserstoff in den Gasen 1, 2 und bzw. 3.The following Table 1 shows the concentrations of helium, neon and hydrogen in gases 1, 2 and 3 respectively.
In der Tabelle 1 ist das Gas 1 Luft. Das Gas 2 ist Stickstoff, der aus der gasförmigen Substanz entsprechend dem konventionellen Verfahren erzeugt wird, das mit Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben wird. Das Gas 3 ist Stickstoff, der aus der Luft entsprechend dem vorliegenden Verfahren erzeugt wird. Die Konzentration des Wasserstoffs in der Luft wird auf 0,1 T./Mio. bei Einsatz des Katalysators reduziert.In Table 1, gas 1 is air. Gas 2 is nitrogen produced from the gaseous substance according to the conventional method described with reference to Fig. 4. Gas 3 is nitrogen produced from the air according to the The concentration of hydrogen in the air is reduced to 0.1 ppm when the catalyst is used.
Wie in Tabelle 1 ersichtlich ist, kann das konventionelle Verfahren fast keine in der Luft vorhandenen niedrigsiedenden Gase entfernen. Im Gegensatz dazu kann das vorliegende Verfahren die entsprechenden niedrigsiedenden Gase wirksam entfernen. Tabelle Helium Neon Wasserstoff Gas (Luft) (konvent.) (Erfindung) (T./Mio.)As can be seen in Table 1, the conventional method can almost not remove low boiling point gases present in the air. In contrast, the present method can effectively remove the corresponding low boiling point gases. Table Helium Neon Hydrogen Gas (air) (conventional) (invention) (T./million)
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorangegangene Ausführung begrenzt, kann aber wie folgt dargestellt werden.The present invention is not limited to the foregoing embodiment, but can be represented as follows.
(1) Beim Verfahren der vorangegangenen Ausführung wird das Heliumgas, das aus den entsprechenden Rektifizierkolonnen 16, 20 extrahiert wird, direkt aus der Anlage abgeführt, wie in Fig. 1 gezeigt wird. Das Heliumgas kann jedoch von den Rektifizierkolonnen 16 und bzw. 20 durch die Heliumtransportkanäle 31, 32 zum Hauptwärmetauscher 14 transportiert und danach gewonnen werden. Das vorangehend angeführte Verfahren ermöglicht, daß das Heliumgas mit niedriger Temperatur in starkem Maße als Kühlmittel für den Hauptwärmetauscher 14 dient, wodurch der gesamte Wärmewirkungsgrad der Anlage verbessert wird.(1) In the method of the foregoing embodiment, the helium gas extracted from the respective rectification columns 16, 20 is directly discharged from the plant as shown in Fig. 1. However, the helium gas may be transported from the rectification columns 16 and 20 through the helium transport channels 31, 32 to the main heat exchanger 14 and then recovered. The foregoing method enables the low-temperature helium gas to be used largely as a coolant. for the main heat exchanger 14, thereby improving the overall thermal efficiency of the system.
Wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt wird, kann außerdem das Gas, das dem oberen Abschnitt der Hauptrektifizierkolonne 16 entnommen wird, durch einen Gastransportkanal 36 zu einer Expansionsturbine 18 (Expansionseinrichtung) transportiert werden. Das Gas wird mittels der Expansionsturbine 18 expandiert und in seinem Zustand weiter zum Hauptwärmetauscher 14 transportiert. Auf diese Weise kann das Gas im oberen Abschnitt der Hauptrektifizierkolonne 16 als Kühlmittel für den Hauptwärmetauscher dienen. Es muß bemerkt werden, daß das Gas im oberen Abschnitt der Unterrektifizierkolonne 20 ebenfalls für den gleichen Zweck eingesetzt werden kann.Furthermore, as shown in Figures 1 and 2, the gas taken from the upper section of the main rectification column 16 can be transported to an expansion turbine 18 (expansion device) through a gas transport channel 36. The gas is expanded by the expansion turbine 18 and further transported in its state to the main heat exchanger 14. In this way, the gas in the upper section of the main rectification column 16 can serve as a coolant for the main heat exchanger. It is to be noted that the gas in the upper section of the sub-rectification column 20 can also be used for the same purpose.
Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung für die Kühlung der Anlage bei Verwendung der Verdampfungswärme des flüssigen Stickstoffs, der durch einen Eintrittskanal 34 für den flüssigen Stickstoff in den oberen Abschnitt der Hauptrektifizierkolonne 16 eingeführt wird. Bei dieser Vorrichtung kann das Gas im oberen Abschnitt der Kolonne 16 durch den Gastransportkanal 36 zum Hauptwärmetauscher 14 transportiert werden, und es kann folglich als Kühlmittel für den Hauptwärmetauscher 14 wie bei den vorangegangenen Beispielen dienen. Der flüssige Stickstoff kann ebenfalls der Unterrektifizierkolonne 20 anstelle der Hauptrektifizierkolonne 16 zugeführt werden, so daß Heliumgas daraus entnommen wird. Es kann ebenfalls geeignet sein, den flüssigen Stickstoff beiden Rektifizierkolonnen 16, 20 zuzuführen.Fig. 3 shows a device for cooling the plant using the heat of vaporization of the liquid nitrogen introduced into the upper section of the main rectification column 16 through a liquid nitrogen inlet channel 34. In this device, the gas in the upper section of the column 16 can be transported to the main heat exchanger 14 through the gas transport channel 36 and can thus serve as a coolant for the main heat exchanger 14 as in the previous examples. The liquid nitrogen can also be supplied to the sub-rectification column 20 instead of the main rectification column 16 so that helium gas is taken out therefrom. It can also be suitable to supply the liquid nitrogen to both rectification columns 16, 20.
(2) Das vorliegende Verfahren kann nicht nur bei einem Luftabscheider angewandt werden, sondern ebenfalls bei jeder Anlage, die hochreinen Stickstoff aus einer gasförmigen Substanz erzeugt, die Stickstoff und niedrigsiedende Gase einschließt.(2) The present process may be applied not only to an air separator but also to any plant producing high purity nitrogen from a gaseous substance comprising nitrogen and low boiling gases.
Wie vorangehend beschrieben wird, wird entsprechend dem Verfahren und der Anlage der vorliegenden Erfindung der flüssige Stickstoff mit hoher Reinheit aus der Hauptrektifizierkolonne aus einer Position extrahiert, die unterhalb deren obersten Stufe liegt, und in eine Unterrektifizierkolonne eingeführt. Der flüssige Stickstoff wird weiter erwärmt, um die sich darin befindlichen niedrigsiedenden Gase in der Unterrektifizierkolonne zu verdampfen. Folglich wird der erzeugte Stickstoff aus der Unterrektifizierkolonne aus einer Position extrahiert, die unterhalb der Position liegt, aus der der flüssige Stickstoff in diese eingeführt wird. Dementsprechend können die niedrigsiedenden Gase wirksam aus der gasförmigen Substanz entfernt werden, was in starkem Maße zur Erzeugung von ultrareinem Stickstoff beiträgt.As described above, according to the method and apparatus of the present invention, the liquid nitrogen of high purity is extracted from the main rectification column from a position lower than the uppermost stage thereof and introduced into a sub-rectification column. The liquid nitrogen is further heated to vaporize the low-boiling gases therein in the sub-rectification column. Consequently, the produced nitrogen is extracted from the sub-rectification column from a position lower than the position from which the liquid nitrogen is introduced therein. Accordingly, the low-boiling gases can be effectively removed from the gaseous substance, which greatly contributes to the production of ultra-pure nitrogen.
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