JP2021050842A - 酸素併産窒素発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】酸素併産を行う窒素発生装置において、窒素製造量に対して酸素製造量が大きい場合であっても、高い窒素回収率が可能な、酸素併産窒素発生装置を提供する。【解決手段】酸素併産窒素発生装置は、主熱交換器（１）と、第一精留塔（２）と、第二精留塔（３）と、第三精留塔（４；４０）とを備える。第一窒素凝縮器（５）が第二精留塔底部（３１）の内部または下方に配置されている。第二窒素凝縮器（６；６０）が第三精留塔底部（４１；４０１）の内部または下方に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、酸素を併産する窒素発生装置に関する。

窒素発生装置は、窒素の需要家のためにオンサイトで窒素を製造し、供給する。この際に少量の酸素の需要があるときは、タンクローリ等によって外部から液体酸素を輸送するか、少量の酸素を窒素発生装置によって併産することによって需要に応えている（例えば、特許文献１参照。）。

液体酸素をタンクローリによって需要地の外部から供給することは、輸送コストおよび酸素の液化コストが生じるため、オンサイトで酸素を製造して供給することが費用面でもエネルギー消費の面でも望ましい。
特許文献１記載のプロセスでは、オンサイトの酸素併産が可能であるが、補助塔（Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔａｌ ｃｏｌｕｍｎ）で酸素を製造する際に、低圧塔（Ｌｏｗｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｌｕｍｎ）の底部から酸素富化液を補助塔の頂部に供給しているにも関わらず、補助塔の頂部から導出される酸素富化ガスが低圧塔の底部に返送できないために、低圧塔内の蒸気流が減少して、低圧塔の頂部から回収される窒素ガスが減少する。
特許文献２のプロセスでは、低圧塔の底部の酸素富化液は中圧塔から供給されるすべての窒素ガスによって蒸発され、低圧塔に蒸気流として供給されている。一方、特許文献１では、低圧塔の底部の酸素富化液は中圧塔から供給される窒素ガスの一部によって蒸発され、低圧塔に蒸気流として供給されている分、窒素回収率が低下する、または中圧塔の底部に供給される原料空気の一部を補助塔の蒸気流源に利用する分だけ窒素回収率が低下する。
この問題は窒素に対して酸素の製造量の比率が大きくなるにつれて、顕著になる傾向がある。

米国特許第５．９３４，１０４号公報 米国特許第４，２２２，７５６号公報

上記実情に鑑みて、本発明は、酸素併産を行う窒素発生装置において、窒素製造量に対して酸素製造量が大きい場合であっても、高い窒素回収率が可能な、酸素併産窒素発生装置を提供することを目的とする。

本発明の酸素併産窒素発生装置は、
少なくとも原料空気（Ｆｅｅｄ ａｉｒ）と酸素ガスと窒素ガスとが熱交換される主熱交換器（１）と、
前記主熱交換器（１）で熱交換された原料空気が（ラインＬ１を介して）導入される第一精留塔（中圧塔）（２）であって、第一精留塔底部（２１）と、第一精留塔底部（２１）の上方に配置される第一精留塔精留部（２２）と、第一精留塔精留部（２２）の上方に配置される第一精留塔頂部（２３）と、を有する第一精留塔（中圧塔）（２）と、
第一窒素凝縮器（５）がその内部または下方に配置されている第二精留塔底部（３１）と、第二精留塔底部（３１）の上方に配置される第二精留塔精留部（３２）と、第二精留塔精留部（３２）の上方に配置される第二精留塔頂部（３３）と、を有する第二精留塔（低圧塔）（３）と、
前記第一精留塔（２）と前記第二精留塔（３）との間に、または側方に配置される第三精留塔（酸素精留塔）（４；４０）であって、第二窒素凝縮器（６；６０）がその内部または下方に配置されている第三精留塔底部（４１；４０１）と、第三精留塔底部（４１；４０１）の上方に配置される第三精留塔精留部（４２；４０２）と、第三精留塔精留部（４２；４０２）の上方に配置される第三精留塔頂部（４３；４０３）と、を有する第三精留塔（４；４０）と、を備える。

前記第二精留塔底部（３１）に溜まった濃縮された濃縮酸素富化液が、前記第三精留塔頂部（４３；４０３）に還流液として（ラインＬ３１１；Ｌ４０３１を介して）供給されうる。
前記第三精留塔底部（４１；４０１）の濃縮された液体酸素が、前記第二窒素凝縮器（６；６０）によって蒸発され、その蒸気流が前記第三精留塔（４；４０）に供給されうる。
前記第三精留塔頂部（４３：４０３）に貯留される濃縮酸素富化ガスが、酸素富化ガス流路（Ｌ４３；Ｌ４０３２）を通じて第二精留塔底部（３１）に供給されうる。
この構成によれば、第三精留塔頂部（４３；４０３）に貯留される濃縮酸素富化ガスを酸素富化ガス流路（Ｌ４３；Ｌ４０３２）を通じて第二精留塔底部（３１）に供給して、第二精留塔内の蒸気流を増加させて精留を改善することができ、よって第二精留塔頂部（３３）における窒素回収を向上させることができる。
第三精留塔（酸素精留塔）（４）が、前記第一精留塔（２）と前記第二精留塔（３）との間に配置される（図１の実施形態を参照）場合には、第三精留塔（４）の頂部（４３）の圧力が、第二精留塔（３）の底部（３１）の圧力よりも高いため、他の設備を追加することなく、濃縮酸素富化ガスを送ることができる。

前記第二精留塔頂部（３３）からラインＬ３３を介して主熱交換器（１）で熱交換して窒素ガスを取り出せる。
前記第三精留塔底部（４１；４０１）または前記第三精留塔精留部（４２；４０２）から（ラインＬ４１；Ｌ４２；Ｌ４０１を介して）主熱交換器（１）で熱交換して酸素ガスを取り出せる。

第一窒素凝縮器（５）から導出される液体窒素のみを、第一精留塔（２）または第二精留塔（３）に分岐して供給し、第二窒素凝縮器（６；６０）から導出される液体窒素はすべて第二精留塔（３）に供給してもよい。
第一精留塔（２）から導出される液体窒素（ラインＬ２３３）や酸素富化液（ラインＬ２）は、サブクーラ（８）によってサブクールされた後に第二精留塔（３）（中間部３２１、頂部３３）に供給されてもよい。ここでは第二精留塔（３）から（ラインＬ３３で）導出される窒素ガスが冷媒として利用される。こうすることで、液の減圧時における蒸発損失を低減し、より多くの液を第二精留塔（３）に供給することで精留を改善することができる。
第二精留塔（３）の底部（３１）から（ラインＬ３１で）導出される排ガスは、主熱交換器（１）で寒冷を放出してから（主熱交換器（１）の途中から出て）膨張タービン（７）で膨張され、冷却された後に、主熱交換器（１）で再度寒冷を放出して、主熱交換器（１）の温端から導出されてもよい。こうすることで、酸素併産窒素発生装置の運転に必要な寒冷を発生し、供給することができる。

また、一実施形態として、前記第三精留塔精留部（４２）は、上部の酸素濃縮部（４２２）と下部の高沸点成分除去部（４２１）を有し、製品酸素を酸素濃縮部と高沸点成分除去部の中間から回収するように、その間からラインＬ４２を介して主熱交換器（１）で熱交換して酸素ガスを取り出してもよい（図２の実施形態を参照）。
例えば、半導体産業等の一部の酸素利用プロセスにおいて、炭化水素等の酸素に対して高沸点の成分を酸素から除去する必要がある。この構成によって一度第三精留塔底部に貯留させた酸素を蒸発し、高沸点成分除去部で精留することによって、高沸点成分を液相に濃縮することで、高沸点成分が除去された酸素を高沸点成分除去部の上部から回収することができる。

また、一実施形態として、第三精留塔（４０）は、第二精留塔（３）の側方に配置される。
第二精留塔（３）の下面は第三精留塔（４０）の上面より下方に配置され、第二精留塔底部（３１）から第三精留塔頂部（４０３）に供給される酸素富化液は（ラインＬ４０３１に配置される）のポンプ（９）によって昇圧されて供給されうる（図３の実施形態を参照）。
また、第三精留塔は、装置の設置面積を抑えるために、第二精留塔（３）の側方であって、主熱交換器の上方に配置されてもよい。
また、前記第三精留塔精留部（４０２）は、上部の酸素濃縮部と下部の高沸点成分除去部を有し、製品酸素を酸素濃縮部と高沸点成分除去部の中間から回収するように、その間からライン（配管など）を介して主熱交換器（１）で熱交換して酸素ガスを取り出してもよい。
第三精留塔を第一精留塔と第二精留塔との間に配置すると、塔の全高が高くなる。上記構成によれば、塔高さを抑えることができる。第三精留塔を第二精留塔の側方に配置した場合であっても、第二精留塔底部の液を第三精留塔に供給する場合に生じる水頭分の圧力損失をポンプで補うことができ、第三精留塔の運転圧力を維持できるので、第三精留塔頂部に貯留される濃縮酸素富化ガスを第二精留塔底部に供給することが可能となり、第二精留塔の窒素回収率を維持することが可能となる。

実施形態１の酸素併産窒素発生装置を示す図である。 実施形態２の酸素併産窒素発生装置を示す図である。 実施形態３の酸素併産窒素発生装置を示す図である。

以下に本発明のいくつかの実施形態について説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の一例を説明するものである。本発明は以下の実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形形態も含む。なお、以下で説明される構成の全てが本発明の必須の構成であるとは限らない。

（実施形態１）
実施形態１の酸素併産窒素発生装置について図１を用いて説明する。
酸素併産窒素発生装置は、主熱交換器１と、第一精留塔（中圧塔）２と、第二精留塔（低圧塔）３と、第三精留塔（酸素精留塔）４とを備える。
主熱交換器１は、少なくとも原料空気（Ｆｅｅｄ ａｉｒ）と酸素ガスと窒素ガスとが熱交換させる。原料空気は、主熱交換器１の温端から導入されて、冷却されたのち第一精留塔２へ供給される。
第一精留塔２は、主熱交換器１で熱交換された原料空気がラインＬ１を介して導入され、第一精留塔底部２１と、第一精留塔底部２１の上方に配置される第一精留塔精留部２２と、第一精留塔精留部２２の上方に配置される第一精留塔頂部２３と、を有する。原料空気は、第一精留塔底部２１および／または第一精留塔精留部２２に供給されてもよい。
第二精留塔３は、第二精留塔底部３１と、第二精留塔底部３１の上方に配置される第二精留塔精留部３２と、第二精留塔精留部３２の上方に配置される第二精留塔頂部３３と、を有する。
第一窒素凝縮器５が第二精留塔底部３１の内部または下方に配置されている。

第三精留塔４は、第一精留塔２と第二精留塔３との間に配置される。第三精留塔４は、第三精留塔底部４１と、第三精留塔底部４１の上方に配置される第三精留塔精留部４２と、第三精留塔精留部４２の上方に配置される第三精留塔頂部４３と、を有する。
第二窒素凝縮器６が第三精留塔底部４１の内部または下方に配置されている。

第二精留塔精留部３２の中間部３２１にはラインＬ２を介して、第一精留塔底部２３から導出される酸素富化液が供給される。
第一精留塔頂部２３から導出される窒素ガスが第一窒素凝縮器５および第二窒素凝縮器６のそれぞれに、ラインＬ２３１、Ｌ２３２を介して供給され、凝縮されて得られた液体窒素の一部が第一精留塔頂部２３に還流液として供給される。その他の液体窒素は、分岐ラインＬ２３１１を介してラインＬ２３２と合流してラインＬ２３３として、第二精留塔頂部３３に還流液として供給される。供給される途中でサブクーラ８を通過し熱交換される。
第二精留塔底部３１の酸素富化液の一部が第一窒素凝縮器５によって蒸発され、その蒸気流が第二精留塔３に供給される。
なお、別実施形態として、第一窒素凝縮器５から導出される液体窒素のみを、第一精留塔２または第二精留塔３に分岐して供給し、第二窒素凝縮器６から導出される液体窒素はすべて第二精留塔３に供給してもよい。

第二精留塔底部３１に溜まった濃縮された濃縮酸素富化液が、第三精留塔頂部４３に還流液としてラインＬ３１１を介して供給される。
第三精留塔底部４１の濃縮された液体酸素が、第二窒素凝縮器６によって蒸発され、その蒸気流が第三精留塔４に供給される。
第三精留塔頂部４３に貯留される濃縮酸素富化ガスが、酸素富化ガス流路Ｌ４３を通じて第二精留塔底部３１に供給される。
この構成によれば、第三精留塔頂部４３に貯留される濃縮酸素富化ガスを酸素富化ガス流路Ｌ４３を通じて第二精留塔底部３１に供給して、第二精留塔内の蒸気流を増加させて精留を改善することができ、よって第二精留塔頂部３３における窒素回収を向上させることができる。本実施形態では、第三精留塔頂部４３の圧力が、第二精留塔底部３１の圧力よりも高いため、他の設備を追加することなく、濃縮酸素富化ガスを送ることができる。

第二精留塔頂部３３からラインＬ３３を介して主熱交換器１で熱交換して窒素ガスを取り出せる。
第三精留塔底部４１からラインＬ４１を介して主熱交換器１で熱交換して酸素ガスを取り出せる。

第一精留塔２から導出される液体窒素（ラインＬ２３３を流れる液体窒素）や酸素富化液（ラインＬ２を流れる酸素富化液）は、サブクーラ８によってサブクールされた後に第二精留塔３の中間部３２１または第二精留塔頂部３３に供給される。第二精留塔３からラインＬ３３で導出される窒素ガスが冷媒として利用される。こうすることで、液の減圧時における蒸発損失を低減し、より多くの液を第二精留塔３に供給することで精留を改善することができる。
第二精留塔底部３１からラインＬ３１で導出される排ガスは、主熱交換器１で寒冷を放出してから主熱交換器１の途中から出て膨張タービン７で膨張され、冷却された後に、主熱交換器１で再度寒冷を放出して、主熱交換器１の温端から導出される。こうすることで、窒素発生装置の運転に必要な寒冷を発生し、供給することができる。

上記各ラインには、弁（仕切弁、流量調整弁、圧力調整弁など）が設けられていてもよい。

（実施形態２）
実施形態２の酸素併産窒素発生装置について図２を用いて説明する。実施形態１の図１と異なる構成について説明し、同じ構成については説明を省略または簡単にする。
第三精留塔精留部４２は、上部の酸素濃縮部４２２と下部の高沸点成分除去部４２１を有する。
製品酸素を酸素濃縮部と高沸点成分除去部の中間から回収するように、その間からラインＬ４２を介して主熱交換器１で熱交換して酸素ガスを取り出す。
これにより、一度第三精留塔底部に貯留させた酸素を蒸発し、高沸点成分除去部で精留することによって、高沸点成分を液相に濃縮することで、高沸点成分が除去された酸素を高沸点成分除去部の上部から回収することができる。

（実施形態３）
実施形態３の酸素併産窒素発生装置について図３を用いて説明する。実施形態１、２（図１、２）と異なる構成について説明し、同じ構成については説明を省略または簡単にする。
第三精留塔４０は、第二精留塔３の側方に配置される。
第二精留塔底部３１に溜まった濃縮された濃縮酸素富化液が、第三精留塔頂部４０３に還流液としてラインＬ４０３１を介して供給される。第二精留塔３の下面は第三精留塔４０の上面より下方に配置されているため、濃縮酸素富化液はラインＬ４０３１に配置されたポンプ９によって昇圧されて供給される。
第三精留塔底部４０１の濃縮された液体酸素が、第二窒素凝縮器６０によって蒸発され、その蒸気流が第三精留塔４０に供給される。
第三精留塔頂部４０３に貯留される濃縮酸素富化ガスが、酸素富化ガス流路Ｌ４０３２を通じて第二精留塔底部３１に供給されうる。
第二精留塔頂部３３からラインＬ３３を介して主熱交換器１で熱交換して窒素ガスを取り出せる。
第三精留塔底部４０１ラインＬ４０１を介して主熱交換器１で熱交換して酸素ガスを取り出せる。
別実施形態として、第三精留塔は、装置の設置面積を抑えるために、第二精留塔３の側方であって、主熱交換器１の上方に配置されてもよい。
また、第三精留塔精留部４０２は、上部の酸素濃縮部と下部の高沸点成分除去部を有していてもよい。製品酸素を酸素濃縮部と高沸点成分除去部の中間から回収するように、その間からライン（配管など）を介して主熱交換器１で熱交換して酸素ガスを取り出してもよい。

（実施例）
上記実施形態１（図１）の装置をより具体的に説明する。
圧縮され、除湿、ＣＯ_２が徐去された原料空気が圧力８．６ｂａｒＡ、温度２０℃、流量１０００Ｎｍ^３／ｇｈで主熱交換器の温端から導入され、−１６４℃に冷却された後に第一精留塔の底部に供給される。第一精留塔は８．５ｂａｒＡで運転され、理論段数は例えば３０〜７０段である。
第一精留塔頂部に貯留される窒素ガス１１２０Ｎｍ^３／ｈの内、６７０Ｎｍ^３／ｈは第一窒素凝縮器に供給され凝縮される。残りの４５０Ｎｍ^３／ｈは第二窒素凝縮器に供給され凝縮される。凝縮された液化窒素１１２０Ｎｍ^３／ｈの内、７６０Ｎｍ^３／ｈは還流液として第一精留塔頂部に供給され、残りの３６０Ｎｍ^３／ｈはサブクーラで−１８５℃に冷却され、第二精留塔頂部に供給される。酸素富化液は第一精留塔底部に貯留され、６４０Ｎｍ^３／ｈの流量で導出され、サブクーラで−１７０℃に冷却された後、第二精留塔精留部の中間部に供給される。
第二精留塔は２．５ｂａｒＡで運転され、理論段数は例えば１０〜６０段である。酸素富化液は第二精留塔底部に貯留され、第一窒素凝縮器によって濃縮される。濃縮された酸素富化液３１９Ｎｍ^３／ｈは、第三精留塔頂部に供給される。第三精留塔は、２．５４ｂａｒＡで運用され、理論段数は例えば５〜５０段である。第三精留塔では塔底部に酸素液が貯留され、第二窒素凝縮器によって蒸発される。６６Ｎｍ^３／ｈの酸素ガスが第三精留塔底部から導出され、主熱交換器で寒冷を放出した後、温端から１６℃で導出される。第三精留塔頂部からは第二精留塔底部に酸素富化ガスが２５１Ｎｍ^３／ｈが供給される。
第二精留塔底部から廃ガスが２７４Ｎｍ^３／ｈ導出され、主熱交換器で−１２６℃に加温された後、膨張タービンで１．２８ｂａｒＡまで減圧され、−１５１℃まで冷却されてから再度、主熱交換器に導入され、温端から１６℃で導出される。
窒素ガスは第二精留塔頂部から６６０Ｎｍ^３／ｈ導出され、サブクーラで−１７０℃に加温されてから主熱交換器で１６℃に加温され、導出される。
特許文献１のプロセスによって１０００Ｎｍ^３の原料空気から６６０Ｎｍ^３／ｈの窒素ガスを得ようとすると、酸素は２２Ｎｍ^３／ｈ程度しか回収できないので、本実施形態によって同量の空気から約３倍の酸素が酸素併産窒素発生装置で回収できることが分かった。

本実施形態のプロセスでは、原料空気の圧力が特許文献１の７．７ｂａｒＡと比べて８．６ｂａｒＡと高く、１０００Ｎｍ^３／ｈの原料空気圧縮に必要なエネルギーは、特許文献１では９３ｋＷであるのに対して、本実施形態では９８ｋＷと、見かけ上高くなる。しかし、本実施形態では酸素の回収量を増やせるので、製造原単位で比較すると、例えば窒素ガスの原単位が０．１ｋＷｈ／Ｎｍ^３と仮定すれば、特許文献１では酸素ガスの原単位は（９３ｋＷ−６６０Ｎｍ^３／ｈ × ０．１ｋＷｈ／Ｎｍ^３）÷２２Ｎｍ^３／ｈ＝１．２ｋＷｈ／Ｎｍ^３となるのに対して、本実施形態では（９８ｋＷ−６６０Ｎｍ^３／ｈ × ０．１ｋＷｈ／Ｎｍ^３）÷６６Ｎｍ^３／ｈ ＝ ０．４８ｋｗｈ／Ｎｍ^３と、大幅に製造原単位を下げることができる。

（優位性評価）
実施形態１〜５に相当する実施例１〜３の優位性を、比較例１と対比して説明する。
比較例１：特許文献１（米国特許第５．９３４，１０４号公報）
実施例１：実施形態１（図１）
実施例２：実施形態２（図２）
実施例３：実施形態３（図３）

実施例１と比較例１とを対比する。第三精留塔（または補助塔）頂部のガスを第二精留塔底部に返送することで、高い窒素回収を維持することができた。製品窒素ガスを同じにして、酸素ガス製造量を比較したが、製品酸素ガスを本実施形態と同等にして比較すると、比較例１のプロセスでは窒素ガス回収が顕著に悪化した。

実施例２は、実施例１と比べて、第三精留塔内の精留部を酸素濃縮部と高沸点除去部に分け、高沸点除去部の上部から酸素ガスを回収する。例えば分離対象となる高沸点成分をメタンとした場合、高沸点除去部の理論段数が５段であれば、酸素ガスを第三精留塔底部から回収する場合と比べて、約８５％の濃度低減が可能となった。

実施例３は、実施例１と比べて、装置の高さを抑えるために、第三精留塔を第二精留塔の下方に置かない構成である。比較例１との差は実施例１と同じであった。

（別実施形態）
特に明示していないが、各ラインに圧力調整装置、流量制御装置などが設置され、圧力調整または流量調整が行われていてもよい。

１ 主熱交換器
２ 第一精留塔
３ 第二精留塔
４ 第三精留塔
５ 第一窒素凝縮器
６ 第二窒素凝縮器
７ 膨張タービン
８ サブクーラ

Claims (4)

1. 少なくとも原料空気と酸素ガスと窒素ガスとが熱交換される主熱交換器（１）と、
   前記主熱交換器（１）で熱交換された原料空気が導入される第一精留塔（２）であって、第一精留塔底部（２１）と、第一精留塔底部（２１）の上方に配置される第一精留塔精留部（２２）と、第一精留塔精留部（２２）の上方に配置される第一精留塔頂部（２３）と、を有する第一精留塔（２）と、
   第一窒素凝縮器（５）がその内部または下方に配置されている第二精留塔底部（３１）と、第二精留塔底部（３１）の上方に配置される第二精留塔精留部（３２）と、第二精留塔精留部（３２）の上方に配置される第二精留塔頂部（３３）と、を有する第二精留塔（低圧塔）（３）と、
   前記第一精留塔（２）と前記第二精留塔（３）との間に、または側方に配置される第三精留塔（４；４０）であって、第二窒素凝縮器（６；６０）がその内部または下方に配置されている第三精留塔底部（４１；４０１）と、第三精留塔底部（４１；４０１）の上方に配置される第三精留塔精留部（４２；４０２）と、第三精留塔精留部（４２；４０２）の上方に配置される第三精留塔頂部（４３；４０３）と、を有する第三精留塔（４；４０）と、を備える、酸素併産窒素発生装置。
2. 前記第二精留塔底部（３１）に溜まった濃縮された濃縮酸素富化液が、前記第三精留塔頂部（４３；４０３）に還流液として供給され、
   前記第三精留塔頂部（４３：４０３）に貯留される濃縮酸素富化ガスが、前記第二精留塔底部（３１）に供給される、請求項１に記載の酸素併産窒素発生装置。
3. 前記第三精留塔精留部（４２；４０２）は、上部の酸素濃縮部と下部の高沸点成分除去部を有し、製品酸素を酸素濃縮部と高沸点成分除去部の中間から回収するように、その間から前記主熱交換器（１）で熱交換して酸素ガスを取り出す、請求項１または２に記載の酸素併産窒素発生装置。
4. 前記第三精留塔（４０）が前記第二精留塔（３）の側方に配置される場合に、
   前記第二精留塔（３）の下面は前記第三精留塔（４０）の上面より下方に配置され、前記第二精留塔底部（３１）から前記第三精留塔頂部（４０３）に供給される酸素富化液がポンプ（９）によって昇圧されて供給される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の酸素併産窒素発生装置。
   

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