JP2594604B2 - アルゴンの回収方法 - Google Patents

アルゴンの回収方法

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JP2594604B2 JP63058096A JP5809688A JP2594604B2 JP 2594604 B2 JP2594604 B2 JP 2594604B2 JP 63058096 A JP63058096 A JP 63058096A JP 5809688 A JP5809688 A JP 5809688A JP 2594604 B2 JP2594604 B2 JP 2594604B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、気体の流れからアルゴンを回収するための
改良方法に関し、特に、アンモニア合成ガスから水素価
を回収した後に残っている気体の流れからアルゴンを回
収するための改良された方法に関する。
［先行技術］ 米国特許第4,338,108号明細書（イサルスキ他）にお
いて、アンモニア合成ガスから水素を回収した後に残る
気体の流れからアルゴンを回収する方法が開示されてい
る。この方法によれば、最初に末端気体（tail gas）が
分留されて、アルゴン、メタンおよび窒素から成る実質
的に水素を含まない液体流れが供給され、この流れは第
一分留塔内に膨張させられてアルゴンを含む頂部気体流
れが形成される。アルゴン−窒素の流れは、次いで第二
分留塔に導入されて、第二分留塔から底部液体として抽
出される生成物アルゴンが形成される。この方法におい
ては、残留水素を分離するための過度の装置が必要にな
り、また液体生成物アルゴンの単位体積当たりの過度の
動力も必要である。
［発明の目的］ 本発明の目的の一つは、気体の流れからアルゴンを回
収するための改良された方法を提供することである。
本発明の別の目的は、アンモニア合成過程からのパー
ジガスを処理する水素回収ユニットから得られる末端気
体からアルゴンを回収するための改良された方法を提供
することである。
本発明のさらに別の目的は、アンモニア合成過程から
のパージガスを処理する水素回収ユニットから得られる
末端気体からアルゴンを回収するための改良された方法
であって、生成物アルゴンの単位量当たりのエネルギー
コストを著しく低減させる方法を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、アンモニア合成過程から
のパージガスを処理する水素回収ユニットから得られる
末端気体からアルゴンを回収するための改良された方法
であって、供給原料の単位体積当たりのアルゴン回収量
を増大させる方法を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、アンモニア合成過程から
のパージガスを処理する水素回収ユニットから得られる
末端気体からアルゴンを回収するための改良された方法
であって、同時に高純度の液体および気体の窒素を生産
する方法を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、アンモニア合成と加圧さ
れたガスの供給を行う過程からのパージガスを処理する
水素回収ユニットから得られる末端気体からアルゴンを
回収するための改良された方法を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、アンモニア合成過程から
のパージガスを処理する水素回収ユニットから得られる
末端気体からアルゴンを回収するための改良された方法
であって、単一の処理工程において水素と窒素が効果的
に分離される方法を提供することである。
［発明の要約］ 本発明の上記およびその他の目的は、気体の流れから
アルゴンを回収するための、好ましくは、アンモニア合
成において得られてアルゴン、メタン、窒素および残留
量の水素から成るパージガスを処理する水素回収ユニッ
トから得られる末端気体からアルゴンを回収するための
方法において達成される。この方法においては、末端気
体は第一分留塔に導入される前に部分的に液化され、そ
して第一分留塔内でアルゴンとメタンから成る底部液体
流れが形成される。次いで、その液体流れは第二分留塔
に導入されて、液体アルゴンを形成するために凝縮され
る頂部気体流れとして、あるいは生成物として、アルゴ
ンが分離される。
［発明の好ましい実施態様］ 本発明、その目的および利点は、以下の詳細な説明を
考察することによって、特に本発明の工程の概略的な流
れ図である添付図面を参照して考察することによってよ
り良く理解されよう。
バルブや指示計などの特定の装置は、図面の記載を容
易にするために図面から省かれていて、そのような装置
を適当な場所に設けることは当業者が理解できる範囲内
にあると考えられることは理解されよう。さらに、本発
明の方法は、水素と窒素からのアンモニア合成において
生じるパージガスから水素価を除去した後に残る末端気
体流れからアルゴンを回収することに関して記述され
る。その末端気体流れはさらにメタンとアルゴンを含有
する。
当業者であれば理解できるように、アンモニア合成反
応器に供給される未反応の水素と窒素を再利用するのが
望ましいが、一方、供給原料に含まれるメタンやアルゴ
ンなどの不活性ガスはその工程において蓄積し、アンモ
ニアの処理にとって有害となる過度の沸騰を防ぐために
除去する必要がある。一般に、残留アンモニアと水蒸気
を除去した後、アンモニア合成からの排ガスは、代表的
にはおよそ次の組成を有する：水素61〜64mol％、窒素2
0〜23mol％、メタン10〜13mol％、およびアルゴン２〜5
mol％、である。従って、この排ガスは大気が含むより
も２〜５倍の量のアルゴンを含み、アルゴンに対する現
在の需要に関して、商業的に利用可能なアルゴンの原料
を提供する。
図面を参照すれば、本発明の好ましい態様が示されて
いて、第一分留塔10と第二分留塔12を有している。第一
分留塔10には有孔板のような多数の接触トレーが設けら
れていて、これは14で示されているが、塔内を上昇する
蒸気と流下する液体を密に接触させる。第二分留塔12に
は有孔板16が設けられていて、上昇する蒸気と下降する
液体流れとの間で同様の接触を行わせる。
操作において、周囲温度および3.16〜9.14kg/cm2（45
〜130psia）の圧力を有する末端気体流れは、間接的な
熱移動によって冷却させるために、ライン20を介して熱
交換器22に通される。この熱交換器の中で末端気体流れ
の一部は凝縮される。末端気体流れの二相混合物は、リ
ボイラー26と還流凝縮器28を有する第一分留塔10の中間
部分に、ライン24を介して導入される。第一分留塔10を
運転することによって、窒素および残留量の水素を含む
ライン30内の頂部気体流れと、アルゴンとメタンから成
るライン32内の底部液体流れとが生成される。
ライン30内の気体流れは、熱交換器33を含む還流凝縮
器28に導入され、この流れの一部が凝縮するような温度
に冷却される。冷却され部分的に凝縮した流れは還流凝
縮器28からライン34を介して取り出され、分離器36に導
入されて、末端気体供給流れの中の実質的にすべての水
素と大部分の窒素とを含むライン38内の気体流れと、ラ
イン40内の液体流れとが形成される。ライン40内の液体
流れの一部は、ライン42を介して第一分離塔10の上部に
戻されて、塔のための還流を供給する。ライン38内の気
体流れは、熱交換器22に通されて冷却ポテンシャルを回
復する。
ライン40内の液体流れの残りの部分（すなわち還流と
して必要とされない部分）は、ライン44を介してバルブ
46内で膨張され、ライン48を介して分離器50内に導入さ
れて、液体窒素中に溶解している残余の水素を含むライ
ン52内の気体流れと、ライン54内の液体流れに分離され
る。ライン52内の気体流れは熱交換器22に通されて、ラ
イン56を介して大気中に排出される前に、その冷却ポテ
ンシャルを回復する。ライン54内の液体流れは、ライン
58を介して液体窒素貯蔵タンク（図示せず）へ送られる
か、あるいは、ライン60を介して窒素熱ポンプサイクル
へ送られる。これについては後に詳述する。
第一分留塔10から取り出されたライン32内のアルゴン
富化液体の流れは、バルブ62によって膨張されて、リボ
イラー64および還流凝縮器66を含む第二分留塔12の中間
部分に導入される。第二分留塔12を運転することによっ
て、ライン68内の頂部気体アルゴン流れとライン70内の
底部液体メタン流れが供給される。ライン68内の気体ア
ルゴン流れは熱交換器72を含む還流凝縮器66に導入さ
れ、その全てまたは大部分が凝縮する温度まで冷却さ
れ、凝縮された部分はライン74を介して還流凝縮器66か
ら取り出される。ライン74内の凝縮された流れの一部は
ライン76を介して第二分留塔12の上部に戻されて塔のた
めの還流を供給し、残りの部分はライン78を介してアル
ゴン貯蔵設備（図示せず）へ送られる。
ライン70内の液体流れは、第二分留塔12から底部液体
として取り出された実質的に純粋なメタンであるが、ポ
ンプ80によってライン82に通され、ライン38内の気体流
れとライン84内で合流し、熱交換器22を通過してその冷
却ポテンシャルを回復する。ライン70内の液体メタン流
れの圧力は、ライン38内の水素流れと合流させる前に第
一分留塔10の運転圧力程度までポンプ80によって増大さ
れ、それによってメタンの沸点が降下し、これをライン
20内の流入原料と対向させて熱交換器22内で沸騰させ
る。これによって気体のメタンはライン86内で周囲温度
まで加温され、燃料ガスまたは類似物として用いられ
る。
低温を維持するために行う分留などに必要なエネルギ
ーは、いかなる手段によっても供給されるだろう。しか
し、そのようなエネルギーは、窒素熱ポンプサイクルに
よって容易に供給され得る。上述したように、還流凝縮
器28からのライン34内の部分に凝縮された流れは、分離
器36内で、末端気体供給流れの中の大部分と窒素と実質
的にすべての水素とを含むライン38内の気体流れと、ラ
イン40内の液体窒素含有流れとに分離され、この液体窒
素含有流れの一部はライン42を介して第一分留塔10のた
めの還流を供給する。ライン40内の液体窒素流れは依然
として溶解水素を含むので、ライン44内の液体流れはバ
ルブ46を通してフラッシュされ、残留している水素の実
質的に全てが、分離器50からライン52を介して気体流れ
として取り出される幾分かの窒素と共に気化されて、そ
れによって実質的に純粋な窒素がライン54を介して取り
出される。上述したように、窒素熱ポンプサイクルのた
めと気体窒素生成物のためにライン60内で必要な窒素を
超過するライン54内の液化窒素は、ライン58を介して液
化窒素貯蔵設備へ送られる。
窒素熱ポンプサイクルは、間接熱移動交換器88、90、
92、サイクル式圧縮機94、および膨張ユニット96からな
る。ライン60内の液体窒素は間接熱移動交換器88内で気
化されそして加熱され、次いで、間接熱移動交換器90、
92を通過するのに先立って、ライン100内の再循環気体
窒素流れとライン98で合流する。ライン98内の気体流れ
はサイクル式圧縮機94で19.3〜28.1kg/cm2（275〜400ps
ia）の圧力に圧縮されて、ライン102内の気体流れが形
成される。熱ポンプで必要な量を超過するライン102内
の気体流れの一部は、適当な程度の圧力でライン104を
介して気体窒素を必要とする設備（図示せず）へ送られ
る。ライン102内の残りの部分はライン106を介して間接
熱移動交換器92に送られ、ライン108内のその一部は膨
張ユニット96に送られる。次いで、ライン108内のその
膨張された部分は間接熱移動交換器90および92を通過し
て、それによってサイクル式圧縮機94内に中間圧力レベ
ルで導入され、より低い圧力レベルでサイクル式圧縮機
94に導入されるライン98内の気体窒素と混合される。
ライン106内の圧縮された窒素の残りの部分は、ライ
ン110を介して間接熱移動交換器90に送られ、次いでラ
イン112および114内の２つの気体窒素流れに分割され
る。ライン112および114内の気体窒素流れは、第一分留
塔10と第二分留塔12のリボイラー26および64内にそれぞ
れ導入され、これらリボイラーに必要なものとして供給
される。ライン112および114内の気体窒素流れはリボイ
ラー26および64からそれぞれ取り出され、ライン116内
で合流して、間接熱移動交換器88に送られる。ライン11
6内の窒素流れはライン118および120内の液体窒素流れ
に分割され、バルブ122および124で膨張された後、還流
凝縮器28および66内に導入され、それによって第一およ
び第二分留塔10および12それぞれのための還流に必要な
ものとして供給される。還流凝縮器28および66から生じ
るライン126および128内の気体窒素流れは、それぞれラ
イン130で合流して、間接熱移動交換器88を通過した
後、ライン100内の再循環気体窒素流れを形成する。
一般に、気体窒素の流れの約２分の１は一連の熱交換
器内で冷却されて、第一および第二分留塔10および12そ
れそれのリボイラー26および46内で凝縮されるために露
点近くの温度にされる。ライン116内の液化窒素は、間
接熱移動交換器88を通過する間に予備冷却され、次いで
バルブ122および124によって膨張されて還流凝縮器28お
よび66内にそれぞれ導入され、第一および第二分留塔10
および12それぞれからのライン30および68内の頂部気体
流れと突き合わせられて1.41〜2.81kg/cm2（20〜40psi
a）で気化される。ライン126および128内のこのように
して気化された窒素の流れはライン130内で合流し、間
接熱移動交換器88、90、および92内で加温され、次いで
ライン60内の窒素流れと共に低い圧力レベルでサイクル
式圧縮機94に戻される。
［実施例］ 以下の実施例は本発明の方法の態様を例示するための
ものであり、本発明の範囲はこれに限定されない、とい
ことが理解されなければならない。
実施例１ 水素を回収するために処理され、アンモニアと水を含
まない、アンモニアプラントのパージガスが、381kg・m
ol/hr（840ld・mol/hr）の速度および3.44kg/cm2（49ps
ia）の圧力で流される。この気体流れは表１に示す組成
を有し、熱交換器22内で周囲温度から−168.6℃（−27
1.5゜F）まで冷却される。
表 １ 気体 モル％ N2 64.02 CH4 21.00 H2 10.18 Ar 4.80 熱交換器22から蒸気−液体混合物として出てくるこの
冷却された流れは、第一および第二分留塔10および12に
連続的に送られ、第一分留塔10の底部生成物が第二分留
塔12に導入される。第一および第二分留塔10および12は
表２に示す条件下で操作される。この場合、ライン20内
の供給気体流れ中に含まれる水素と窒素の全ては第一分
留塔10からライン30内の頂部流れとして出て、メタンの
実質的に全ては第二分留塔12からライン70内の底部流れ
として出る。
標準規格グレードのアルゴン生成物は第二分留塔12か
ら頂部蒸気として取り出され、還流凝縮器66内で凝縮さ
れ、次いで貯蔵器（図示せず）へ17.9kg・mol/hr（39.4
7lb・mol/hrの速度で送られる。第二分留塔12からライ
ン70内の底部流れとして取り出される液体メタンは、ポ
ンプ80によって熱交換器22へ3.16kg/cm2（45psia）の圧
力で送られ、ライン38内の水素−窒素気体流れと混合さ
れ、ライン84内のこの合流した流れは気化され、周囲温
度まで加温される。ライン86内のこの加温された気体流
れは熱交換器22から取り出され、アンモニア合成工程へ
燃料として戻される。
第一分留塔10からのライン30内の頂部蒸気は、還流凝
縮器28内へその一部を凝縮するために導入され、次いで
分離器36内に導入される。還流凝縮器28は、第一分留塔
10への還流となる頂部蒸気を凝縮するために、また、さ
らに処理される必要のある純度の低い液体窒素流れを供
給するために、操作される。分離器36内で分離されたラ
イン38内の未凝縮頂部流れは熱交換器22へ送られ、ポン
プ80からのライン82内の液体メタンと混合され、次いで
上述したように2.95kg/cm2（42psia）の圧力で周囲温度
まで加温され、乾燥燃料ガスとして用いられる。
純粋な窒素生成物は、分離器36から取り出されるライ
ン40内の純度の低い液体窒素から、分離器50内へ気体流
れをフラッシュすることによって生成される。分離器50
は1.41〜2.11kg/cm2（20〜30psia）の圧力で操作され、
それによって比較的高圧の純度の低い窒素中に溶解して
いる水素は溶体から解放され、次いで熱交換器22へ送ら
れて周囲温度まで加温される。100ppm以下の水素を含む
液体窒素は、分離器50から83.9kg・mol/hr（185.0lb・m
ol/hr）の速度で取り出される。6.76kg・mol/hr（14.9l
b・mol/hr）の純粋な液体窒素は貯蔵器（図示せず）へ
送られる。残りの77.2kg・mol/hr（170.1lb・mol/hr）
の純粋な液体窒素は間接熱移動交換器88へ送られて気化
され、次いでライン100内の窒素と合流して窒素熱ポン
プサイクルへ供給される。ライン98内の純粋な窒素は間
接熱移動交換器90および92に通されて、そこで周囲温度
まで加温され、次いで窒素サイクル式圧縮機94から利用
できる好都合な圧力（例えば25.4kg/cm2（362psia））
にされる。これは窒素サイクル圧縮機94の排出圧力に相
当する。
以上の説明を考慮すれば本発明の多数の修正と変更が
可能であり、従って、添付した特許請求の範囲内で、本
発明は特に説明されたものとは異なる態様で実施するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
図面は本発明の方法を説明する概略的な流れ図である。
フロントページの続き (72)発明者 デービッド・ジェイ・カムラス アメリカ合衆国ニュージャージー州 08802，アスバリー，ディーア・ヒル・ ロード ４ (56)参考文献 特開 昭50−137875（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−26693（ＪＰ，Ａ) 特公 昭46−42361（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (18)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】アルゴン、窒素、メタン、および残留量の
    水素を含む気体の流れ（20）から実質的に純粋なアルゴ
    ンを回収する方法であって、 ａ）前記気体流れ（20）を、アルゴンとメタンが底部液
    体流れ（32）として分離されるような条件下で、第一分
    留塔（10）に導入する工程、 ｂ）前記底部液体流れ（32）を前記第一分離塔（10）か
    ら取り出す工程、 ｃ）前記液体流れ（32）を、アルゴンが頂部気体流れ
    （68）として分離されるような条件下で第二分留塔（1
    2）を導入する工程、および ｄ）前記第二分留塔（12）の頂部から気体のアルゴンの
    流れ（68）を取り出す工程、 を含む方法。
  2. 【請求項２】前記気体流れ（20）が工程ａ）の前に冷却
    される、特許請求の範囲第１項に記載の方法。
  3. 【請求項３】前記気体流れ（20）が前記第一分留塔（1
    0）に導入される前に3.16〜9.14kg/cm2（45〜130psia）
    の圧力を有する、特許請求の範囲第１項または第２項に
    記載の方法。
  4. 【請求項４】工程ｄ）の前記気体のアルゴンの流れ（6
    8）が凝縮されて生成物貯蔵設備へ送られる、特許請求
    の範囲第１項または第２項に記載の方法。
  5. 【請求項５】頂部気体流れ（30）が前記第一分留塔（1
    0）から取り出され、この頂部気体流れ（30）が窒素と
    前記残留量の水素からなる、特許請求の範囲第４項に記
    載の方法。
  6. 【請求項６】前記第一分留塔（10）から取り出された前
    記頂部気体流れ（30）が部分的に凝縮され、次いで分離
    器（36）に導入され、それによって前記水素の実質的に
    全てを含む気体流れ（38）と、窒素および溶解した水素
    とを含む液体流れ（40）が形成される、特許請求の範囲
    第５項に記載の方法。
  7. 【請求項７】前記分離器（36）から回収された前記気体
    流れ（38）が熱交換器（22）に通されて、その冷却ポテ
    ンシャルを回復する、特許請求の範囲第６項に記載の方
    法。
  8. 【請求項８】前記分離器（36）から取り出された前記液
    体流れ（40）が膨張され、次いで第二分離器（50）に導
    入されて、それによって水素を含む気体流れ（52）と製
    品品質の窒素を含む液体流れ（54）が形成される、特許
    請求の範囲第７項に記載の方法。
  9. 【請求項９】前記第二分離器（50）から取り出された前
    記気体流れ（52）が熱交換器（22）に通されて、その冷
    却ポテンシャルを回復する、特許請求の範囲第８項に記
    載の方法。
  10. 【請求項１０】前記第二分離器（50）から取り出された
    前記液体流れ（54）の一部（60）が窒素熱ポンプサイク
    ルへ送られて、それによって前記第一および第二分留塔
    （10、12）のために必要な寒冷が供給される、特許請求
    の範囲第９項に記載の方法。
  11. 【請求項１１】前記窒素熱ポンプサイクルから取り出さ
    れる窒素流れ（110）によって、前記第一および第二分
    留塔（10、12）のために必要な再沸騰が行われる、特許
    請求の範囲第10項に記載の方法。
  12. 【請求項１２】前記再沸騰のために用いられた後に前記
    第一および第二分留塔（10、12）から回収された窒素流
    れ（116）が、前記第一および第二分留塔（10、12）の
    ための還流を形成するのに必要なものとして用いられ
    る、特許請求の範囲第11項に記載の方法。
  13. 【請求項１３】前記再沸騰のために用いられた後に前記
    第一および第二分留塔（10、12）から回収された前記窒
    素流れが、合流し、冷却され、膨張され、次いで前記第
    一および第二分留塔（10、12）のための還流を形成する
    のに必要なものとして用いられる、特許請求の範囲第12
    項に記載の方法。
  14. 【請求項１４】前記還流のために用いられた後に前記第
    一および第二分留塔（10、12）から回収された窒素流れ
    （126、128）が、前記窒素熱ポンプサイクルへ戻され
    る、特許請求の範囲第13項に記載の方法。
  15. 【請求項１５】前記第二分留塔（12）から底部液体流れ
    （70）が取り出され、次いで熱交換器（22）に通されて
    その冷却ポテンシャルを回復する、特許請求の範囲第３
    項に記載の方法。
  16. 【請求項１６】前記底部液体流れ（70）が、前記熱交換
    器（22）に通される前に加圧される、特許請求の範囲第
    15項に記載の方法。
  17. 【請求項１７】前記底部液体流れ（70）が前記第一およ
    び第二分留塔（10、12）の操作圧力程度まで加圧され
    る、特許請求の範囲第16項に記載の方法。
  18. 【請求項１８】前記第二分離器（50）からの前記気体流
    れ（52）が、その冷却ポテンシャルを回復した後に大気
    中へ排出される、特許請求の範囲第９項に記載の方法。
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