JP4230168B2 - Nitrogen production method and apparatus - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒素製造方法及び装置に関し、特に、製品窒素ガス消費量の広範囲な増減に対応でき、さらに、異なる純度や圧力の製品窒素ガスの供給にも対応可能な窒素製造方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
図4は、需要変動に対応するために考案された従来の循環型窒素製造装置の一例を示す系統図である。また、表1及び表2は、この窒素製造装置のプロセス計算の一例を示すもので、表1は定格運転時のプロセス値を、表2は最大減量運転時のプロセス値をそれぞれ示している。なお、表1、表2中のA〜Jは、図4におけるA点〜J点を表している。
【0003】
以下、本装置における気液の流れに沿って従来の循環型窒素製造プロセスを簡単に説明する。まず、大気から取入れられて空気圧縮機1で圧縮された圧縮空気は、精製設備2で精製された後、排ガス圧縮機3で圧縮された排ガスと合流して原料空気となり、主熱交換器4で戻りガス(製品ガス、排ガス)と熱交換して冷却される。
【0004】
冷却後の原料空気は、中圧精留塔5に導入され、塔頂部の窒素ガスと塔底部の液化空気とに液化精留分離される。液化空気は、塔底部から管路6に抜き出され、減圧弁7で減圧された後、低圧精留塔8の上部に導入され、大気の酸素濃度に近い塔頂部の擬似空気と、液化空気よりも酸素濃度の高い塔底部の酸素富化空気とに分離される。
【0005】
擬似空気は、排ガスとして塔頂部から管路9に抜き出され、主熱交換器4で加温された後、前記排ガス圧縮機3で圧縮されて圧縮空気と合流する。また、塔下部のガス状の酸素富化空気は、管路10に抜き出され、その一部が管路11を通って主熱交換器4で中間温度まで加温された後、膨張タービン12に導入されて断熱膨張し、装置の運転に必要な寒冷を発生させる。寒冷を発生した酸素富化空気は、再び主熱交換器4に導入されて原料空気と熱交換を行い、加温されて系外に排出される。
【0006】
このような循環型プロセスは、二つの特徴を有している。その一つは、余剰の排ガスを原料空気として再利用することで製品収率を高くしている点である。もう一つは、再利用する排ガスの酸素濃度を大気組成に近い濃度まで低下させることにより、排ガス圧縮機3を高価な酸素圧縮機仕様とする必要をなくし、設備費を低減している点である。
【0007】
次に、このプロセスにおける減量運転を考える。一般に精留塔は、ある処理量の範囲内で効率を低下させることなく運転できる。そこで、ここでの検討においては、一般的な精留塔の設計を考え、中圧精留塔5の運転範囲は、導入される原料空気の量で100〜60%の範囲で同一の効率を備えるとする。また、定格運転時の各部のプロセス値を表1に示す通りとする。
【0008】
従来の循環型プロセスで減量運転を行う場合は、まず、排ガス圧縮機3を停止させる。これにより、原料空気中の排ガス量が0になるので、圧縮空気量を定格運転の100のままとしても、原料空気量は138から100に減少して72%の減量となる。そして、表2に示すように圧縮空気量を83に減量すると、原料空気量は定格運転時の138から83に減少し、60%の減量となる。したがって、圧縮空気量が83のとき、中圧精留塔5は運転範囲の下限になる。このとき、管路13から採取する製品窒素ガス量は、定格運転に比べて59%の減量となる。
【0009】
【表1】
【0010】
【表2】
【0011】
このように、循環型プロセスは、減量運転において圧縮空気の減少量以上に精留塔に導入する原料空気量が減少する。したがって、圧縮空気の減量幅(空気圧縮機の減量幅)に余裕があっても、精留塔の減量下限界が先に到達し、その結果、製品の減量幅が制限される場合があった。すなわち、従来の方法では、精留塔における負荷変動幅が大きくなり、精留塔の操作限界によって減量幅が制限されるという問題があった。
【0012】
また、窒素ガスを様々な用途に使用する半導体製造工場等では、純度や圧力等の仕様が異なる窒素ガスの供給を要望されることがある。この場合、異なる純度の窒素ガスを製造するための複数の窒素製造装置を設置してそれぞれ供給することも可能であるが、装置コストが多大なものとなるため、例えば、高純度窒素ガスを製造する装置のみを設置し、比較的低純度の窒素ガスで十分な用途にも高価な高純度窒素ガスを使用したり、別途液化窒素貯槽を設置してここから所望純度の窒素ガスを供給するようにしており、ガスコストや設備コストに問題があった。
【0013】
そこで本発明は、従来と同程度の動力原単位でより広範囲な製品窒素ガス使用量の増減に対応でき、必要に応じて純度や圧力の異なる製品を供給することも可能な窒素製造方法及び装置を提供することを目的としている。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の窒素製造方法は、第1の構成として、圧縮、精製、冷却した原料空気を低温液化精留することによって窒素を分離する窒素製造方法において、圧縮、精製、冷却した原料空気を第一窒素ガスと第一液化空気とに分離して第一窒素ガスの一部を加温してから第一製品窒素ガスとして採取する第一中圧精留工程と、第一液化空気を大気に近い酸素濃度の擬似空気と第一液化空気よりも酸素濃度の高い酸素富化空気とに分離する低圧精留工程と、低圧精留工程で得た液状の酸素富化空気と第一窒素ガスとを熱交換させて第一窒素ガスを液化すると同時に酸素富化空気を気化し、液化した第一窒素ガスを第一中圧精留工程の還流液とする第一窒素ガス液化工程と、低圧精留工程で得た擬似空気を加温してから圧縮する擬似空気圧縮工程と、擬似空気圧縮工程で圧縮後に冷却した擬似空気を第二窒素ガスと第二液化空気とに分離して第二窒素ガスの一部を加温してから第二製品窒素ガスとして採取する第二中圧精留工程と、第二中圧精留工程で得た第二窒素ガスと第二液化空気とを熱交換させて第二窒素ガスを液化すると同時に第二液化空気を気化し、液化した第二窒素ガスを第二中圧精留工程の還流液とし、気化した第二液化空気を加温してから排出する第二窒素ガス液化工程と、低圧精留工程で得た液状の酸素富化空気の一部を第二液化空気に注入する液注入工程とを含むことを特徴としている。
【0015】
本発明方法の第2の構成は、圧縮、精製、冷却した原料空気を低温液化精留することによって窒素を分離する窒素製造方法において、圧縮、精製、冷却した原料空気を第一窒素ガスと第一液化空気とに分離して第一窒素ガスの一部を原料空気で加温してから第一製品窒素ガスとして採取する第一中圧精留工程と、第一液化空気を大気に近い酸素濃度の擬似空気と第一液化空気よりも酸素濃度の高い酸素富化空気とに分離する低圧精留工程と、低圧精留工程で得た液状の酸素富化空気と第一窒素ガスとを熱交換させて第一窒素ガスを液化すると同時に酸素富化空気を気化し、液化した第一窒素ガスを第一中圧精留工程の還流液とする第一窒素ガス液化工程と、低圧精留工程で得た擬似空気を原料空気で加温してから圧縮する擬似空気圧縮工程と、擬似空気圧縮工程で圧縮後に冷却した擬似空気を第二窒素ガスと第二液化空気とに分離して第二窒素ガスの一部を圧縮後の擬似空気で加温してから第二製品窒素ガスとして採取する第二中圧精留工程と、第二中圧精留工程で得た第二窒素ガスと第二液化空気とを熱交換させて第二窒素ガスを液化すると同時に第二液化空気を気化し、液化した第二窒素ガスを第二中圧精留工程の還流液とし、気化した第二液化空気を圧縮後の擬似空気で加温してから排出する第二窒素ガス液化工程と、低圧精留工程で得た液状の酸素富化空気の一部を第二液化空気に注入する液注入工程とを含むことを特徴としている。
【0016】
さらに、本発明の窒素製造方法は、該窒素製造方法を実施する運転に必要な寒冷を、断熱膨張により得る工程又は前記運転に必要な寒冷を外部からの低温液化ガスのプロセス流体への注入により得る工程を含むことを特徴としている。また、前記第一製品窒素ガスの純度と前記第二製品窒素ガスの純度とが異なるようにすることもでき、前記第一製品窒素ガスの圧力と前記第二製品窒素ガスの圧力とが異なるようにすることもできる。
【0017】
本発明の窒素製造装置は、第1の構成として、圧縮、精製、冷却した原料空気を低温液化精留することによって窒素を分離する窒素製造装置において、原料空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された原料空気を精製する精製設備と、精製された原料空気を冷却する主熱交換器と、冷却された原料空気を第一窒素ガスと第一液化空気とに分離する第一中圧精留塔と、第一液化空気を大気に近い酸素濃度の擬似空気と第一液化空気よりも酸素濃度の高い酸素富化空気とに分離する低圧精留塔と、第一中圧精留塔の精留に必要な精留塔還流液及び低圧精留塔の精留に必要な精留塔上昇ガスを生成するために第一窒素ガスと液状の酸素富化空気とを熱交換させて第一窒素ガスを液化すると同時に液状の酸素富化空気をガス化する第一凝縮器と、擬似空気を常温で圧縮する擬似空気圧縮機と、圧縮後に主熱交換器で冷却した擬似空気を第二窒素ガスと第二液化空気とに分離する第二中圧精留塔と、第二中圧精留塔の精留に必要な精留塔還流液を生成するために第二窒素ガスと第二液化空気とを間接熱交換させて第二窒素ガスを液化すると同時に第二液化空気をガス化する第二凝縮器と、低圧精留塔の下部から酸素富化空気の一部をガス状で導出して主熱交換器で加温してから導出する管路と、第一中圧精留塔の上部から導出した第一窒素ガスを主熱交換器で加温してから第一製品窒素ガスとして採取する管路と、第一中圧精留塔の下部から導出した第一液化空気を減圧後に低圧精留塔の上部に導入する管路と、低圧精留塔の上部から導出した擬似空気を主熱交換器で加温してから擬似空気圧縮機に導入する管路と、圧縮後の擬似空気を主熱交換器で冷却してから第二中圧精留塔に導入する管路と、第二中圧精留塔の上部から導出した第二窒素ガスを主熱交換器で加温してから第二製品窒素ガスとして採取する管路と、低圧精留塔の下部から液状で導出した酸素富化空気と第二中圧精留塔の下部から導出した第二液化空気とを合流させて第二凝縮器に導入する管路と、第二凝縮器でガス化した第二液化空気を主熱交換器で加温してから導出する管路とを備えていることを特徴としている。
【0018】
また、本発明の窒素製造装置における第2の構成は、圧縮、精製、冷却した原料空気を低温液化精留することによって窒素を分離する窒素製造装置において、原料空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された原料空気を精製する精製設備と、精製された原料空気を冷却する主熱交換器と、冷却された原料空気を第一窒素ガスと第一液化空気とに分離する第一中圧精留塔と、第一液化空気を大気に近い酸素濃度の擬似空気と第一液化空気よりも酸素濃度の高い酸素富化空気とに分離する低圧精留塔と、第一中圧精留塔の精留に必要な精留塔還流液及び低圧精留塔の精留に必要な精留塔上昇ガスを生成するために第一窒素ガスと液状の酸素富化空気とを熱交換させて第一窒素ガスを液化すると同時に液状の酸素富化空気をガス化する第一凝縮器と、擬似空気を常温で圧縮する擬似空気圧縮機と、圧縮後の擬似空気を冷却する第二主熱交換器と、第二主熱交換器で冷却された擬似空気を第二窒素ガスと第二液化空気とに分離する第二中圧精留塔と、第二中圧精留塔の精留に必要な精留塔還流液を生成するために第二窒素ガスと第二液化空気とを熱交換させて第二窒素ガスを液化すると同時に第二液化空気をガス化する第二凝縮器と、第一凝縮器でガス化した酸素富化空気の一部を低圧精留塔の下部からガス状で導出して主熱交換器で加温してから導出する管路と、第一中圧精留塔の上部から導出した第一窒素ガスを主熱交換器で加温してから第一製品窒素ガスとして採取する管路と、第一中圧精留塔の下部から導出した第一液化空気を減圧後に低圧精留塔の上部に導入する管路と、低圧精留塔の上部から導出した擬似空気を主熱交換器で加温してから擬似空気圧縮機に導入する管路と、圧縮後の擬似空気を第二主熱交換器で冷却してから第二中圧精留塔に導入する管路と、第二中圧精留塔の上部から導出した第二窒素ガスを第二主熱交換器で加温してから第二製品窒素ガスとして採取する管路と、低圧精留塔の下部から液状で導出した酸素富化空気と第二中圧精留塔の下部から導出した第二液化空気とを合流させて第二凝縮器に導入する管路と、第二凝縮器でガス化した第二液化空気を第二主熱交換器で加温してから導出する管路とを備えていることを特徴としている。
【0019】
さらに、本発明の窒素製造装置は、前記窒素製造装置の運転に必要な寒冷を発生させる膨張タービン又は前記窒素製造装置の運転に必要な寒冷を供給するための低温液化ガスをプロセス流体へ注入する管路を備えていることを特徴としている。また、前記液化した第一窒素ガス又は第二窒素ガスを製品液化窒素として導出する管路を備えていること、前記第一中圧精留塔と第二中圧精留塔とが一つの保冷外槽に格納されていること、あるいは、前記第一中圧精留塔と第二中圧精留塔とが異なる保冷外槽に格納されていることを特徴としている。
【0020】
なお、製品窒素ガスを供給する場合、両製品窒素ガスの純度や圧力が同じならば、各導出管路を一つの製品ガス導出管路に合流させればよい。このとき、合流前の両製品窒素ガスの圧力が異なる場合は、圧力が高い方の製品窒素ガス導出管路に減圧弁を設ければよい。また、純度が異なる製品窒素ガスを採取するには、前記第一中圧精留塔と第二中圧精留塔の理論段数を異なるものとしたり、原料空気や擬似空気に対する窒素ガス採取量を異なるものとしたりすることによって行うことができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の窒素製造方法を適用した窒素製造装置の第1形態例を示す系統図である。この窒素製造装置は、主要な機器として、原料空気を冷却する主熱交換器21と、冷却された原料空気を第一窒素ガスと第一液化空気とに分離する第一中圧精留塔22と、第一液化空気を大気に近い酸素濃度の擬似空気と第一液化空気よりも酸素濃度の高い酸素富化空気とに分離する低圧精留塔23と、擬似空気を常温で圧縮する擬似空気圧縮機24と、圧縮後に冷却した擬似空気を第二窒素ガスと第二液化空気とに分離する第二中圧精留塔25とを備えている。なお、各機器は、従来から用いられているこの種の機器をそのまま使用することが可能である。
【0022】
まず、圧縮機31であらかじめ設定された圧力、例えば0.9MPaに圧縮された原料空気は、精製設備32において、例えばMS吸着器で水、二酸化炭素等の高沸点不純物を除去された後、例えば0.86MPaとなって主熱交換器21に導入され、低温の各種戻りガスと間接熱交換を行ってあらかじめ設定された温度、例えば−167℃に冷却される。
【0023】
冷却後の原料空気は、管路51を通って第一中圧精留塔22の下部に導入され、該第一中圧精留塔22での第一中圧精留工程により、塔頂部の第一窒素ガスと塔底部の第一液化空気とに分離する。塔頂部の第一窒素ガスは、管路52に抜き出され、その一部が管路53に分岐して主熱交換器21に導入され、原料空気等と間接熱交換することによって常温に加温された後、管路54から0.82MPaで第一製品窒素ガスN1として採取される。
【0024】
塔底部の第一液化空気は、管路55に抜き出され、減圧弁33であらかじめ設定された圧力、例えば0.30MPaに減圧された後、低圧精留塔23の上部に導入され、該低圧精留塔23での低圧精留工程により、大気に近い酸素濃度の塔頂部の擬似空気と、第一液化空気よりも酸素濃度の高い塔底部の液状の酸素富化空気とに分離する。
【0025】
低圧精留塔23の底部には、第一窒素ガス液化工程を行う第一凝縮器34が設けられており、この第一凝縮器34において、前記管路52から管路56に分岐した第一窒素ガスと塔底部の液状の酸素富化空気とが間接熱交換を行い、第一窒素ガスが液化すると同時に酸素富化空気が気化する。液化した第一窒素ガス(第一液化窒素)は、管路57を通って第一中圧精留塔22の頂部に導入されて還流液となり、気化した酸素富化空気は、低圧精留塔23の上昇ガスとなる。
【0026】
また、低圧精留塔23内を上昇するガス状の酸素富化空気の一部は、管路58に抜き出され、その一部が管路59を経て主熱交換器21に導入される。主熱交換器21で中間温度まで加温された酸素富化空気は、膨張タービン35に導入され、例えば0.13MPaまで断熱膨張し、装置の運転に必要な寒冷を発生させる。この寒冷発生工程を終えた酸素富化空気は、管路58から弁36を介して分岐した酸素富化空気と管路60で合流し、主熱交換器21を通って原料空気等の冷却源となって常温まで加温された後、管路61から排ガスWとして排出される。なお、この排ガスの一部は、精製設備32の再生ガスとして使用される。
【0027】
低圧精留塔23の頂部から管路62に抜き出された擬似空気は、主熱交換器21で常温に加温された後、定格運転時にはその全量が擬似空気圧縮機24での擬似空気圧縮工程により、あらかじめ設定された圧力、例えば0.86MPaに圧縮される。圧縮後の擬似空気は、管路63から再び主熱交換器21に導入されて−167℃に冷却され、管路64を通って第二中圧精留塔25の下部に導入される。
【0028】
第二中圧精留塔25での第二中圧精留工程により、擬似空気は、塔頂部の第二窒素ガスと塔底部の第二液化空気とに分離する。塔頂部の第二窒素ガスは、管路65に抜き出され、その一部が管路66に分岐して主熱交換器21に導入され、原料空気等と間接熱交換することによって常温に加温された後、管路67から0.82MPaの第二製品窒素ガスN2として採取される。
【0029】
塔底部の第二液化空気は、管路68に抜き出され、減圧弁37であらかじめ設定された圧力、例えば0.13MPaに減圧された後、第二窒素ガス液化工程を行う第二凝縮器38に導入される。また、第二液化空気には、液注入工程により、低圧精留塔23の底部から管路69に抜き出された液状の酸素富化空気が、減圧弁39で第二液化空気と同じ圧力に減圧された後に注入されている。
【0030】
この第二凝縮器38には、管路65から管路70に分岐した第二窒素ガスが導入されており、この第二窒素ガスと第二液化空気とが間接熱交換を行い、第二窒素ガスが液化すると同時に第二液化空気が気化する。液化した第二窒素ガス(第二液化窒素)は、管路71を通って第二中圧精留塔25の頂部に導入されて還流液となり、気化した第二液化空気は、管路72を通り、膨張タービン35を出た酸素富化空気に合流して排出される。
【0031】
このように形成した窒素製造装置で大幅な減量運転を行う際には、擬似空気圧縮機24を停止させて第二中圧精留塔25の運転を停止して擬似空気を弁40から排出するとともに、管路69からの液状の酸素富化空気の注入も停止し、第一中圧精留塔22のみによって製品窒素ガスを製造する運転を行う。これにより、製品窒素ガスの採取量は第二中圧精留塔25からの第二製品窒素ガスN2に相当する分が減量される。さらに、第一中圧精留塔22の運転範囲が従来と同様の100〜60%だとすれば、第一中圧精留塔22から採取する第一製品窒素ガスの採取量を定格運転時の60%まで減量できることになる。したがって、擬似空気圧縮機24の停止と、第一中圧精留塔22の減量運転とにより、製品窒素ガスの採取量を、定格運転時の43%にまで減量することが可能となる。
【0032】
この窒素製造装置で定格運転時の原料空気量を100としたときのプロセス値の一例を表3に示す。さらに、最大減量運転時のプロセス値の一例を表4に示す。なお、表3、表4中のA〜Oは、図1におけるA点〜O点を表している。また、従来の循環型窒素製造プロセスと、本形態例に示す窒素製造プロセスとにおける減量幅と圧縮機理論動力とを比較した結果を表5に示す。なお、表5において、ガス圧縮機は、従来例における排ガス圧縮機3及び本形態例における擬似空気圧縮機24を示している。
【0033】
【表3】
【0034】
【表4】
【0035】
【表5】
【0036】
さらに、製品窒素ガスの採取、供給を第一中圧精留塔22及び第二中圧精留塔25の二塔で行い、第二中圧精留塔25は、擬似空気圧縮機24で圧縮後の擬似空気を使用しているので、原料空気のみを使用した第一中圧精留塔22の運転とは関係なく、二塔それぞれの運転を独立して行うことができる。
【0037】
したがって、同一純度及び同一圧力の製品窒素ガスをそれぞれ採取することによって前述のような大幅な需要変動に対応することが可能となるが、一方で、両塔における運転条件や、両塔における理論段数の設定によっては、各塔から純度や圧力の異なる製品窒素ガスをそれぞれ採取することができる。すなわち、一方の中圧精留塔から高純度の製品窒素ガスを採取し、他方の中圧精留塔から汎用純度の製品窒素ガスを採取するような設定も可能である。
【0038】
また、両製品窒素ガスの採取圧力を同じにすることよって第一、第二製品窒素ガスの合流を容易に行うことができ、一つの製品ガス導出管路に合流させて供給することができるが、擬似空気圧縮機24での圧縮圧力を適宜に設定することにより、第二製品窒素ガスの圧力を第一製品窒素ガスの圧力と異なる圧力に設定することができる。なお、採取圧力が異なる両製品窒素ガスを合流させる場合は、圧力の高い製品窒素ガスの管路に減圧弁を設けて同じ圧力にすればよい。
【0039】
さらに、発生寒冷量や運転条件の設定により、各凝縮器で液化して各中圧精留塔に還流液としてそれぞれ導入される第一、第二液化窒素の一部を、精留塔導入前又は導入後に必要に応じて抜き取り、製品液化窒素として採取することもできる。
【0040】
図2は、本発明の第2形態例を示す系統図である。なお、以下の説明において、前記第1形態例に示した窒素製造装置と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【0041】
本形態例に示す窒素製造装置は、主熱交換器として、第一中圧精留塔22及び低圧精留塔23に関連する第一主熱交換器21と、第二中圧精留塔25に関連する第二主熱交換器26とを設けている。すなわち、第二中圧精留塔25に導入される擬似空気圧縮機24で圧縮後の擬似空気の管路63、第二中圧精留塔25で分離した第二窒素ガスを第二製品窒素ガスN2として採取する管路67、第二凝縮器38で気化して排出される気化した第二液化空気の管路72を第二主熱交換器26に設けるようにしている。
【0042】
さらに、前記第1形態例では、全ての低温機器を一つの保冷外槽81に収納しているが、本形態例では、第一中圧精留塔22や低圧精留塔23、第一主熱交換器21に関連する低温機器と、第二中圧精留塔25や第二主熱交換器26に関連する低温機器とを異なる保冷外槽82,83にそれぞれ収納し、両保冷外槽間にまたがる管路69を断熱配管で形成して接続するようにしている。
【0043】
このように保冷外槽を別に形成することにより、例えば、工場建設の初期で供給先の製品窒素ガスの需要量が比較的少ない場合には、第二中圧精留塔25側の機器や保冷外槽83を設置せずに、第一中圧精留塔22側の設備のみを設置してここから製品窒素ガスを採取するように形成し、製品窒素ガスの需要量が増大したときに、第二中圧精留塔25に関連する設備及び保冷外槽83を追加して両中圧精留塔から製品窒素ガスを採取するように形成することにより、初期投資額の削減が可能となる。
【0044】
図3は、本発明の第3形態例を示す系統図である。本形態例に示す窒素製造装置は、装置の運転に必要な寒冷を、前記両形態例に示した膨張タービンでの断熱膨張で得るのに代えて、外部からの低温液化ガスの注入により得るようにした例を示している。
【0045】
すなわち、前記低圧精留塔23から管路58に抜き出したガス状の酸素富化空気は、その全量を弁36から管路60を通して主熱交換器21に導入するように形成するとともに、外部から低温液化ガスを装置内に注入するための管路100を設け、該管路100から、低温液化ガスの種類や組成、圧力に応じて装置内の適当な箇所に低温液化ガスを注入することにより、寒冷を供給するようにしている。
【0046】
例えば、外部から注入する低温液化ガスとして、製品窒素ガスの純度に相当する純度を有し、第一中圧精留塔22の運転圧力に相当する圧力を有する液化窒素の場合は、前記管路100から管路101を介して第一中圧精留塔22に注入することができる。同様に、第二中圧精留塔25に注入することも可能であり、さらに、精留塔に直接ではなく、管路57を流れる第一液化窒素や、管路71を流れる第二液化窒素に合流させることもできる。このようにして第一、第二中圧精留塔に注入された液化窒素は、寒冷供給用として利用された後、製品窒素ガスの一部として採取することができる。
【0047】
また、低純度の液化窒素や液化空気の場合、あるいは、ある程度の純度を有していても圧力が低い液化窒素の場合は、前記管路100から弁102、管路103を介して管路55を流れる減圧後の第一液化空気に合流させたり、該管路100から管路104、弁105を介して管路68の第二液化空気に合流させたりすることができる、さらに、これらの注入箇所を適当に組み合わせることもできる。また、低温液化ガス注入用の管路は、膨張タービンを設置した装置に併設することもでき、例えば、膨張タービンのメンテナンス中に使用したり、両者の寒冷を併用するようにしてもよい。
【0048】
加えて、前記第2形態例に示したように、保冷外槽を分割した場合は、第一中圧精留塔22側の運転に必要な寒冷を前記膨張タービン35で発生させるようにし、第二中圧精留塔25側の運転に必要な寒冷を外部からの低温液化ガスの注入によって得るように設定することもできる。この場合、寒冷補給用としての管路69を省略できるので、両保冷外槽にまたがる低温配管を設ける必要がなくなり、熱損失の低減や設備コストの削減を図れる。
【0049】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来から用いられている機器をそのまま使用しながら、原単位を悪化させることなく製品窒素ガスの採取量を大幅に変動させることができる。また、必要に応じて異なる圧力、異なる純度の製品窒素ガスを採取することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の窒素製造方法を適用した窒素製造装置の第1形態例を示す系統図である。
【図2】 本発明の窒素製造装置の第2形態例を示す系統図である。
【図3】 本発明の窒素製造装置の第3形態例を示す系統図である。
【図4】 従来の循環型窒素製造装置の一例を示す系統図である。
【符号の説明】
21…主熱交換器、22…第一中圧精留塔、23…低圧精留塔、24…擬似空気圧縮機、25…第二中圧精留塔、26…第二主熱交換器、31…圧縮機、32…精製設備、34…第一凝縮器、35…膨張タービン、38…第二凝縮器、81,82,83…保冷外槽、100,101,103,104…低温液化ガス注入用の管路、N1…第一製品窒素ガス、N2…第二製品窒素ガス、W…排ガス[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a nitrogen production method and apparatus, and more particularly, to a nitrogen production method and apparatus that can cope with a wide range of increase and decrease in product nitrogen gas consumption and can also supply product nitrogen gas of different purity and pressure.
[0002]
[Prior art and problems to be solved by the invention]
FIG. 4 is a system diagram showing an example of a conventional circulating nitrogen production apparatus devised to cope with demand fluctuations. Tables 1 and 2 show an example of the process calculation of the nitrogen production apparatus. Table 1 shows the process value at the rated operation, and Table 2 shows the process value at the maximum weight reduction operation. A to J in Tables 1 and 2 represent points A to J in FIG.
[0003]
Hereinafter, a conventional circulating nitrogen production process will be briefly described along the flow of gas and liquid in this apparatus. First, the compressed air taken in from the atmosphere and compressed by the air compressor 1 is purified by the refining equipment 2 and then merged with the exhaust gas compressed by the exhaust gas compressor 3 to become raw air, and the main heat exchanger 4 The product is cooled by exchanging heat with the return gas (product gas, exhaust gas).
[0004]
The raw material air after cooling is introduced into the intermediate pressure rectification column 5 and liquefied and rectified and separated into nitrogen gas at the top of the column and liquefied air at the bottom of the column. The liquefied air is extracted from the bottom of the tower to the
[0005]
The simulated air is extracted as exhaust gas from the top of the tower to the pipe 9, heated by the main heat exchanger 4, compressed by the exhaust gas compressor 3, and merged with the compressed air. Further, the gaseous oxygen-enriched air at the bottom of the tower is extracted to the
[0006]
Such a cyclic process has two characteristics. One of them is that the product yield is increased by reusing excess exhaust gas as raw material air. The other is that by reducing the oxygen concentration of the exhaust gas to be reused to a concentration close to the atmospheric composition, it is not necessary to make the exhaust gas compressor 3 an expensive oxygen compressor specification, thereby reducing the equipment cost. is there.
[0007]
Next, consider the weight loss operation in this process. Generally, the rectification column can be operated within a certain throughput without reducing the efficiency. Therefore, in the examination here, considering the design of a general rectification column, the operation range of the intermediate pressure rectification column 5 has the same efficiency in the range of 100 to 60% in terms of the amount of raw material air introduced. Let's prepare. Table 1 shows the process value of each part during rated operation.
[0008]
When performing a weight reduction operation in a conventional circulation type process, first, the exhaust gas compressor 3 is stopped. Thereby, since the amount of exhaust gas in the raw material air becomes 0, even if the amount of compressed air remains at 100 of the rated operation, the amount of raw material air decreases from 138 to 100, which is a 72% reduction. As shown in Table 2, when the amount of compressed air is reduced to 83, the amount of raw material air is reduced from 138 during rated operation to 83, which is a reduction of 60%. Therefore, when the amount of compressed air is 83, the intermediate pressure rectification column 5 becomes the lower limit of the operating range. At this time, the amount of product nitrogen gas collected from the
[0009]
[Table 1]
[0010]
[Table 2]
[0011]
Thus, in the circulation type process, the amount of raw material air introduced into the rectification column is reduced more than the amount of reduction in compressed air in the reduction operation. Therefore, even if there is a margin for the amount of compressed air reduction (the amount of air compressor reduction), the lower limit of rectifying column weight loss reached first, and as a result, the product weight reduction range was sometimes limited. . In other words, the conventional method has a problem that the load fluctuation range in the rectification column becomes large, and the amount of weight reduction is limited by the operation limit of the rectification column.
[0012]
In addition, in semiconductor manufacturing factories or the like that use nitrogen gas for various purposes, it may be desired to supply nitrogen gas having different specifications such as purity and pressure. In this case, it is possible to install and supply a plurality of nitrogen production apparatuses for producing nitrogen gases of different purity. However, since the apparatus cost becomes enormous, for example, high purity nitrogen gas is produced. Only high-pure nitrogen gas can be used for applications where relatively low-purity nitrogen gas is sufficient, or a separate liquefied nitrogen storage tank is installed to supply nitrogen gas of the desired purity from there. There was a problem in gas cost and equipment cost.
[0013]
Accordingly, the present invention provides a method and apparatus for producing nitrogen capable of responding to a wide range of product nitrogen gas consumption fluctuations with a power unit comparable to that of the prior art and capable of supplying products of different purity and pressure as required. The purpose is to provide.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the nitrogen production method of the present invention has, as a first configuration, a nitrogen production method in which nitrogen is separated by low-temperature liquefaction rectification of compressed, purified, and cooled raw material air. A first intermediate pressure rectification step in which the cooled raw material air is separated into first nitrogen gas and first liquefied air, and a part of the first nitrogen gas is heated and then collected as the first product nitrogen gas; Low-pressure rectification process that separates liquefied air into simulated air with oxygen concentration close to the atmosphere and oxygen-enriched air with higher oxygen concentration than the first liquefied air, and liquid oxygen-enriched air obtained in the low-pressure rectification process The first nitrogen gas is liquefied by simultaneously exchanging heat with the first nitrogen gas, and at the same time, oxygen-enriched air is vaporized, and the liquefied first nitrogen gas is used as a reflux liquid in the first intermediate pressure rectification step. The simulated air obtained in the liquefaction process and the low-pressure rectification process is heated and then compressed. The second product nitrogen gas after the pseudo air compression process and the pseudo air cooled after the compression in the pseudo air compression process are separated into the second nitrogen gas and the second liquefied air, and a part of the second nitrogen gas is heated. The second intermediate pressure rectification step collected as the second intermediate pressure rectification step and the second nitrogen gas obtained in the second intermediate pressure rectification step are heat exchanged with the second liquefied air to liquefy the second nitrogen gas and at the same time the second liquefied air Vaporized and liquefied second nitrogen gas is used as the reflux liquid in the second intermediate pressure rectification process, and the second liquefied air that has been vaporized is heated and then discharged, and obtained in the low pressure rectification process. And a liquid injection step of injecting a part of the liquid oxygen-enriched air into the second liquefied air.
[0015]
A second configuration of the method of the present invention is a method for producing nitrogen in which nitrogen is separated by low-temperature liquefaction rectification of compressed, refined, and cooled raw material air. A first intermediate pressure rectification process in which a part of the first nitrogen gas is heated to the raw material air after being separated into one liquefied air and then collected as the first product nitrogen gas, and the first liquefied air is oxygen close to the atmosphere. The low-pressure rectification process that separates the concentration of pseudo air and the oxygen-enriched air having a higher oxygen concentration than the first liquefied air, and the liquid oxygen-enriched air and the first nitrogen gas obtained in the low-pressure rectification process are heated. The first nitrogen gas liquefaction step and the low-pressure rectification step, wherein the first nitrogen gas is liquefied and the oxygen-enriched air is vaporized and the liquefied first nitrogen gas is used as the reflux liquid of the first intermediate pressure rectification step. A simulated air compression process in which the simulated air obtained in step 1 is heated with raw material air and then compressed. The pseudo air cooled after compression in the pseudo air compression step is separated into second nitrogen gas and second liquefied air, and a portion of the second nitrogen gas is heated with the pseudo air after compression, and then the second product nitrogen gas The second intermediate pressure rectification step collected as the second intermediate pressure rectification step and the second nitrogen gas obtained in the second intermediate pressure rectification step are heat exchanged with the second liquefied air to liquefy the second nitrogen gas and at the same time the second liquefied air The second nitrogen gas liquefaction step, in which the vaporized and liquefied second nitrogen gas is used as a reflux liquid in the second intermediate pressure rectification step, and the vaporized second liquefied air is heated after being compressed with pseudo air after compression, and And a liquid injection step of injecting a part of the liquid oxygen-enriched air obtained in the low-pressure rectification step into the second liquefied air.
[0016]
Furthermore, in the nitrogen production method of the present invention, the step of obtaining the cold necessary for the operation for carrying out the nitrogen production method by adiabatic expansion or the cold necessary for the operation is performed. From outside Low temperature liquefied gas To process fluids Injection In It is characterized by including a process of obtaining more. Further, the purity of the first product nitrogen gas and the purity of the second product nitrogen gas can be made different so that the pressure of the first product nitrogen gas and the pressure of the second product nitrogen gas are different. It can also be.
[0017]
A nitrogen production apparatus according to the present invention has, as a first configuration, a nitrogen production apparatus that separates nitrogen by subjecting compressed, refined, and cooled raw material air to low-temperature liquefaction rectification, and a compressor that compresses the raw material air. Purification equipment for purifying the raw material air, a main heat exchanger for cooling the purified raw material air, and a first intermediate pressure rectification column for separating the cooled raw material air into first nitrogen gas and first liquefied air A low-pressure rectification column that separates the first liquefied air into simulated air having an oxygen concentration close to the atmosphere and oxygen-enriched air having a higher oxygen concentration than the first liquefied air, and a rectification of the first intermediate-pressure rectification column The first nitrogen gas and the liquid oxygen-enriched air are subjected to heat exchange in order to generate the rectifying column reflux liquid necessary for the rectification and the rectifying column rising gas necessary for the rectification of the low pressure rectifying column. A first condenser that gasifies liquid oxygen-enriched air at the same time, and pseudo air A pseudo air compressor that compresses at a temperature; a second medium pressure rectification tower that separates the pseudo air cooled by the main heat exchanger after compression into second nitrogen gas and second liquefied air; and a second medium pressure rectification The second nitrogen gas is liquefied by indirect heat exchange between the second nitrogen gas and the second liquefied air in order to produce a rectifying column reflux liquid necessary for rectification of the tower, and at the same time the second liquefied air is gasified. A two-condenser, a pipe for extracting a part of oxygen-enriched air in the form of gas from the lower part of the low-pressure rectification column and heating it with the main heat exchanger, and a first medium-pressure rectification column After depressurizing the first liquefied air derived from the pipe that collects the first nitrogen gas derived from the top as the first product nitrogen gas after heating in the main heat exchanger, and the first intermediate pressure rectification column The pipe to be introduced to the upper part of the low-pressure rectification column and the pseudo air derived from the upper part of the low-pressure rectification column are heated by the main heat exchanger and then turned to the pseudo air compressor. A pipe to be introduced, a pipe to be introduced into the second intermediate pressure rectification tower after cooling the compressed pseudo air by the main heat exchanger, and a second nitrogen derived from the upper part of the second intermediate pressure rectification tower From the pipe where the gas is heated in the main heat exchanger and then collected as second product nitrogen gas, from the lower part of the low-pressure rectification column and from the lower part of the low-pressure rectification column A conduit that joins the derived second liquefied air and introduces it into the second condenser; and a conduit that is heated after the second liquefied air gasified by the second condenser is heated by the main heat exchanger; It is characterized by having.
[0018]
Further, the second configuration of the nitrogen production apparatus of the present invention includes a compressor for compressing raw material air and a compression in a nitrogen production apparatus for separating nitrogen by subjecting the compressed, purified, and cooled raw material air to low-temperature liquefaction rectification. Purification equipment for purifying the purified raw material air, a main heat exchanger for cooling the purified raw material air, and first medium pressure rectification for separating the cooled raw material air into first nitrogen gas and first liquefied air A column, a low-pressure rectification column that separates the first liquefied air into simulated air having an oxygen concentration close to the atmosphere and oxygen-enriched air having a higher oxygen concentration than the first liquefied air, In order to produce the rectifying column reflux liquid necessary for the distillation and the rectifying column rising gas necessary for the rectification of the low-pressure rectifying column, the first nitrogen gas and the liquid oxygen-enriched air are subjected to heat exchange to form the first nitrogen. A first condenser that liquefies gas and gasifies liquid oxygen-enriched air at the same time; A pseudo air compressor that compresses the air at room temperature, a second main heat exchanger that cools the compressed pseudo air, and a second nitrogen gas and second liquefied air that is cooled by the second main heat exchanger. And the second nitrogen gas and the second liquefied air are subjected to heat exchange in order to produce a second intermediate pressure rectification column that is separated into a rectification column and a rectification column reflux liquid necessary for the rectification of the second intermediate pressure rectification column. The second condenser that liquefies the second nitrogen gas at the same time and the second liquefied air at the same time, and a part of the oxygen-enriched air gasified by the first condenser are derived from the lower part of the low-pressure rectification column in the gaseous state. The first product nitrogen gas is heated after the main heat exchanger heats the first nitrogen gas led out from the upper part of the first intermediate pressure rectification column and the conduit that is heated after heating in the main heat exchanger A pipe for collecting the first liquefied air derived from the lower part of the first intermediate pressure rectification column and introducing the first liquefied air to the upper part of the low pressure rectification column after depressurization; Heat the simulated air derived from the main section with the main heat exchanger and introduce it into the simulated air compressor. After cooling the compressed pseudo air with the second main heat exchanger, A pipe for introducing into the distillation column, a pipe for collecting the second nitrogen gas derived from the upper part of the second intermediate pressure rectification column with the second main heat exchanger and then collecting it as the second product nitrogen gas, A conduit that joins oxygen-enriched air derived from the lower part of the low-pressure rectification column in a liquid state and second liquefied air derived from the lower part of the second intermediate-pressure rectification column and introduces them into the second condenser; The second liquefied air gasified by the condenser is heated by the second main heat exchanger, and then the conduit is led out.
[0019]
Furthermore, the nitrogen production apparatus of the present invention is an expansion turbine that generates cold necessary for operation of the nitrogen production apparatus or a low-temperature liquefied gas for supplying cold necessary for operation of the nitrogen production apparatus. To process fluid It is characterized by having a conduit for injection. Further, a pipe for leading the liquefied first nitrogen gas or second nitrogen gas as product liquefied nitrogen is provided, and the first intermediate pressure rectification column and the second intermediate pressure rectification column are one cold storage. It is characterized in that it is stored in an outer tank or that the first intermediate pressure rectification tower and the second intermediate pressure rectification tower are stored in different cold storage outer tanks.
[0020]
In addition, when supplying product nitrogen gas, if the purity and pressure of both product nitrogen gas are the same, what is necessary is just to join each outlet line to one product gas outlet line. At this time, when the pressures of the two product nitrogen gases before the merging are different, a pressure reducing valve may be provided in the product nitrogen gas outlet pipe having the higher pressure. In addition, in order to collect product nitrogen gas with different purity, the number of theoretical plates of the first intermediate pressure rectification column and the second intermediate pressure rectification column may be different, or the amount of nitrogen gas collected with respect to raw air or simulated air may be set differently. It can be done by making it different.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a system diagram showing a first embodiment of a nitrogen production apparatus to which the nitrogen production method of the present invention is applied. The nitrogen production apparatus includes, as main equipment, a
[0022]
First, the raw air compressed to a pressure set in advance by the
[0023]
The cooled raw material air is introduced into the lower part of the first intermediate
[0024]
The first liquefied air at the bottom of the column is extracted to the
[0025]
A
[0026]
A part of the gaseous oxygen-enriched air rising in the low-
[0027]
The pseudo air extracted from the top of the low
[0028]
By the second intermediate pressure rectification step in the second intermediate
[0029]
The second liquefied air at the bottom of the column is extracted to the
[0030]
A second nitrogen gas branched from the
[0031]
When performing a significant weight reduction operation in the nitrogen production apparatus thus formed, the
[0032]
Table 3 shows an example of process values when the raw material air amount during rated operation is 100 in this nitrogen production apparatus. Further, Table 4 shows an example of the process value at the time of the maximum weight reduction operation. In Tables 3 and 4, A to O represent points A to O in FIG. Table 5 shows the result of comparing the weight loss width and the compressor theoretical power in the conventional circulating nitrogen production process and the nitrogen production process shown in the present embodiment. In Table 5, the gas compressor indicates the exhaust gas compressor 3 in the conventional example and the
[0033]
[Table 3]
[0034]
[Table 4]
[0035]
[Table 5]
[0036]
Further, the collection and supply of product nitrogen gas is performed in two towers, a first intermediate
[0037]
Therefore, by collecting each product nitrogen gas of the same purity and the same pressure, it becomes possible to cope with the large demand fluctuation as described above. On the other hand, the operating conditions in both towers and the number of theoretical plates in both towers Depending on the setting, product nitrogen gas of different purity and pressure can be collected from each column. That is, it is possible to set so that high-purity product nitrogen gas is collected from one medium-pressure rectification column and general-purpose purity product nitrogen gas is collected from the other medium-pressure rectification column.
[0038]
Further, by making the sampling pressures of both product nitrogen gases the same, the first and second product nitrogen gases can be easily merged, and can be fed together into one product gas outlet line. The pressure of the second product nitrogen gas can be set to a pressure different from the pressure of the first product nitrogen gas by appropriately setting the compression pressure in the
[0039]
Furthermore, depending on the setting of the amount of cold generated and the operating conditions, a part of the first and second liquefied nitrogen liquefied in each condenser and introduced into each intermediate pressure rectification column as a reflux liquid is introduced before the rectification column is introduced. Alternatively, it can be extracted after introduction and collected as product liquefied nitrogen after introduction.
[0040]
FIG. 2 is a system diagram showing a second embodiment of the present invention. In the following description, the same components as those in the nitrogen production apparatus shown in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0041]
The nitrogen production apparatus shown in the present embodiment includes, as main heat exchangers, a first
[0042]
Furthermore, in the first embodiment, all the low-temperature equipment is housed in one cold
[0043]
By separately forming the cold insulation outer tank in this way, for example, when the demand for the product nitrogen gas at the supply destination is relatively small at the initial stage of factory construction, the equipment on the second intermediate
[0044]
FIG. 3 is a system diagram showing a third embodiment of the present invention. In the nitrogen production apparatus shown in this embodiment, the cooling required for the operation of the apparatus is obtained by injecting a low-temperature liquefied gas from the outside instead of obtaining the adiabatic expansion in the expansion turbine shown in both of the above embodiments. An example is shown.
[0045]
That is, the gaseous oxygen-enriched air extracted from the low-
[0046]
For example, in the case of liquefied nitrogen having a purity corresponding to the purity of the product nitrogen gas as the low-temperature liquefied gas injected from the outside and having a pressure corresponding to the operating pressure of the first intermediate
[0047]
Further, in the case of low purity liquefied nitrogen or liquefied air, or in the case of liquefied nitrogen having a certain level of purity but low pressure, the
[0048]
In addition, as shown in the second embodiment, when the cold outer tank is divided, the
[0049]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the amount of product nitrogen gas collected can be greatly varied without deteriorating the basic unit, while using the conventionally used equipment as it is. Further, it is possible to collect product nitrogen gas having different pressure and different purity as required.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system diagram showing a first embodiment of a nitrogen production apparatus to which a nitrogen production method of the present invention is applied.
FIG. 2 is a system diagram showing a second embodiment of the nitrogen production apparatus of the present invention.
FIG. 3 is a system diagram showing a third embodiment of the nitrogen production apparatus of the present invention.
FIG. 4 is a system diagram showing an example of a conventional circulating nitrogen production apparatus.
[Explanation of symbols]
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