JP5032407B2 - Nitrogen production method and apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、窒素製造方法及び装置に関し、詳しくは、圧縮、精製、冷却した原料空気を深冷液化分離して製品窒素ガスを採取する窒素製造方法及び装置に関する。 The present invention relates to a nitrogen production method and apparatus, and more particularly to a nitrogen production method and apparatus for collecting product nitrogen gas by cryogenic liquefaction separation of compressed, purified and cooled raw material air.
空気を深冷分離して製品窒素ガスを製造する方法としては、基本的に単精留塔装置を用いる方法が広く行われており、近年は、製品収率や動力原単位を改善するために様々なプロセスが提案されている。その中で、2塔の精留塔を採用し、従来のプロセスでは破棄されていた廃ガスを第2の精留塔の原料とするプロセスは、第2の精留塔に原料として導入する廃ガスを圧縮したり、昇温したりすることがないので、新たな圧縮動力や昇温に必要な熱交換器も基本的に不要となるという利点を有している。 As a method of producing product nitrogen gas by cryogenic separation of air, basically, a method using a single rectifying column apparatus is widely used. In recent years, in order to improve product yield and power consumption rate. Various processes have been proposed. Among them, a process using two rectifying columns and using waste gas that was discarded in the conventional process as a raw material for the second rectifying column is a waste introduced into the second rectifying column as a raw material. Since the gas is not compressed or heated, there is an advantage that new compression power and a heat exchanger necessary for raising the temperature are basically unnecessary.
このような2塔式のプロセスでは、第2の精留塔から得られる一部の製品窒素ガスを所定圧力まで昇圧することが必要となる場合もあるが、必要エネルギーは最小限となり、従来の単精留塔のプロセスに比較して製品収率や動力原単位を大幅に改善することが可能である(例えば、特許文献1,2参照。)。
しかし、前述の2塔式の場合、これらのプロセスの性格上、装置運転圧力の下限が存在するため、製品窒素ガスの圧力が低い場合には、高製品収率の特徴を生かしつつ対応することは困難であった。例えば、前記特許文献1に記載されたプロセスでは、製品窒素ガスの圧力が0.80MPa程度の圧力ならば効率よく製品窒素ガスを採取することができるが、それよりも低い圧力の場合には対応が極めて困難であった。また、特許文献2に記載されたプロセスでは、製品窒素ガスの圧力が0.60MPa程度の圧力ならば効率よく製品窒素ガスを採取することができるが、それよりも低い圧力の場合、例えば製品窒素ガスの圧力が0.40MPa程度に低くなると対応が極めて困難であった。
However, in the case of the above-mentioned two-column type, there is a lower limit of the apparatus operating pressure due to the nature of these processes, so when the product nitrogen gas pressure is low, take advantage of the characteristics of high product yield. Was difficult. For example, in the process described in
また、一般に酸素及び窒素製造用として用いられている複式精留プロセスにおけるプロセスを酸素及び窒素製造用から窒素製造用に変更し、低圧窒素ガスを製造するのに適したプロセスとすることにより、低圧の製品窒素ガスを得ることは可能であるが、前記各プロセスに比べて動力原単位が高くなるという問題があった。 In addition, by changing the process in the double rectification process, which is generally used for oxygen and nitrogen production, from oxygen and nitrogen production to nitrogen production, the process is suitable for producing low-pressure nitrogen gas. Although it is possible to obtain the product nitrogen gas, there has been a problem that the power unit becomes higher than that in each of the above processes.
そこで本発明は、製品窒素ガスに要求される圧力が低い場合であっても、効率よく製品窒素ガスを採取することができ、動力原単位の低減が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。 Therefore, the present invention provides a nitrogen production method and apparatus that can efficiently collect product nitrogen gas even when the pressure required for the product nitrogen gas is low and can reduce the power consumption. It is an object.
上記目的を達成するため、本発明の窒素製造方法は、原料空気を深冷液化分離して製品窒素を採取する窒素製造方法において、圧縮、精製、冷却した原料空気と後述の第4酸素富化液化流体とを間接熱交換させて原料空気の一部を凝縮液化して気液二相空気を得ると同時に第4酸素富化液化流体を蒸発ガス化して第4酸素富化ガス流体を得る第1間接熱交換工程と、前記気液二相空気を低温蒸留して第1窒素ガスと第1酸素富化液化流体とに分離する第1分離工程と、前記第1酸素富化液化流体を減圧後に低温蒸留して第2窒素ガスと第2酸素富化液化流体とに分離する第2分離工程と、前記第2酸素富化液化流体と前記第1窒素ガスとを間接熱交換させて第1窒素ガスを凝縮液化して第1液化窒素を得ると同時に第2酸素富化液化流体を蒸発ガス化して第2酸素富化ガス流体を得る第2間接熱交換工程と、前記第2間接熱交換工程で蒸発ガス化しなかった前記第2酸素富化液化流体を液状態のまま抜き出した第3酸素富化液化流体を低温蒸留して第3酸素富化ガス流体と第4酸素富化液化流体とに分離する第3分離工程と、前記第1間接熱交換工程で蒸発ガス化しなかった前記第4酸素富化液化流体を液状態のまま第5酸素富化液化流体として抜き出し、減圧後に前記第2窒素ガスと間接熱交換させて第2窒素ガスを凝縮液化して第2液化窒素を得ると同時に減圧後の第5酸素富化液化流体を蒸発ガス化して第5酸素富化ガス流体を得る第3間接熱交換工程と、前記第2窒素ガスの一部を熱回収後に製品窒素ガスとして採取する製品回収工程とを含むことを特徴としている。 In order to achieve the above object, the nitrogen production method of the present invention is a nitrogen production method for collecting product nitrogen by subjecting raw material air to cryogenic liquefaction separation, and the compressed, purified, cooled raw material air and the fourth oxygen enrichment described later. Indirect heat exchange with the liquefied fluid is performed to condense and liquefy a part of the raw material air to obtain gas-liquid two-phase air. At the same time, the fourth oxygen-enriched liquefied fluid is vaporized to obtain the fourth oxygen-enriched gas fluid. A first indirect heat exchange step, a first separation step in which the gas-liquid two-phase air is subjected to low-temperature distillation and separated into a first nitrogen gas and a first oxygen-enriched liquefied fluid, and the first oxygen-enriched liquefied fluid is decompressed A first separation step is performed by low-temperature distillation to separate the second nitrogen gas and the second oxygen-enriched liquefied fluid, and the second oxygen-enriched liquefied fluid and the first nitrogen gas are indirectly heat-exchanged for the first. Nitrogen gas is condensed and liquefied to obtain the first liquefied nitrogen and at the same time the second oxygen-enriched liquefied fluid is steamed. A second indirect heat exchange step to obtain a second oxygen-enriched gas stream to gasify the said second oxygen-enriched liquefied stream body unevaporated gasified in the second indirect heat exchange step was withdrawn remained liquid state A third separation step of low-temperature distillation of the 3 oxygen-enriched liquefied fluid to separate it into a third oxygen-enriched gas fluid and a 4th oxygen-enriched liquefied fluid, and the evaporative gasification in the first indirect heat exchange step withdrawing a fourth oxygen enriched liquefied stream body as a fifth oxygen-enriched liquefied fluid remains in a liquid state, the second liquefied nitrogen condensed and liquefied the second nitrogen gas indirect heat is exchanged with the second nitrogen gas after vacuum A third indirect heat exchange step for obtaining a fifth oxygen-enriched gas fluid by evaporating and gasifying the fifth oxygen-enriched liquefied fluid after decompression at the same time, and a product nitrogen gas after heat recovery of a part of the second nitrogen gas And a product recovery process to be collected.
さらに、本発明の窒素製造方法は、前記構成の窒素製造方法において、装置の運転に必要な寒冷を得るため、前記第5酸素富化ガス流体を膨張タービンに導入して膨張させる寒冷発生工程、前記原料空気の一部を膨張タービンに導入して膨張させる寒冷発生工程、系外から液化ガスを供給する液化ガス注入工程のいずれかの工程を含むことを特徴としている。 Furthermore, in the nitrogen production method of the present invention, in the nitrogen production method having the above-described configuration, a cold generation step of introducing the fifth oxygen-enriched gas fluid into an expansion turbine and expanding it in order to obtain the cold necessary for operation of the apparatus. The method includes any one of a cold generation step of introducing a part of the raw material air into an expansion turbine to expand and a liquefied gas injection step of supplying a liquefied gas from outside the system.
また、本発明の窒素製造装置は、原料空気を深冷液化分離して製品窒素を採取する窒素製造装置において、圧縮、精製、冷却した原料空気と後述の第4酸素富化液化流体とを間接熱交換させて原料空気の一部を凝縮液化して気液二相空気を得ると同時に第4酸素富化液化流体を蒸発ガス化して第4酸素富化ガス流体を得る第1間接熱交換器と、前記気液二相空気を低温蒸留して第1窒素ガスと第1酸素富化液化流体とに分離する第1精留塔と、前記第1酸素富化液化流体を減圧後に低温蒸留して第2窒素ガスと第2酸素富化液化流体とに分離する第2精留塔と、前記第2酸素富化液化流体と前記第1窒素ガスとを間接熱交換させて第1窒素ガスを凝縮液化して第1液化窒素を得ると同時に第2酸素富化液化流体を蒸発ガス化して第2酸素富化ガス流体を得る第2間接熱交換器と、前記第2間接熱交換器で蒸発ガス化しなかった前記第2酸素富化液化流体を前記第2精留塔の底部から液状態のまま抜き出した第3酸素富化液化流体を低温蒸留して第3酸素富化ガス流体と第4酸素富化液化流体とに分離する第3精留塔と、前記第1間接熱交換器で蒸発ガス化しなかった前記第4酸素富化液化流体を前記第3精留塔の底部から液状態のまま抜き出した第5酸素富化液化流体を減圧後に前記第2窒素ガスと間接熱交換させて第2窒素ガスを凝縮液化して第2液化窒素を得ると同時に減圧後の第5酸素富化液化流体を蒸発ガス化して第5酸素富化ガス流体を得る第3間接熱交換器と、前記第2窒素ガスの一部を熱回収後に製品窒素ガスとして採取する製品回収経路とを含むことを特徴としている。さらに、前記第2精留塔と前記第3精留塔を、前記第2精留塔の下部に前記第3精留塔が一体化された1塔型とすることもできる。 Further, the nitrogen production apparatus of the present invention is a nitrogen production apparatus that collects product nitrogen by cryogenic liquefaction separation of raw material air, and indirectly supplies the compressed, purified, and cooled raw material air and a fourth oxygen-enriched liquefied fluid described later. A first indirect heat exchanger for obtaining a fourth oxygen-enriched gas fluid by evaporating and gasifying the fourth oxygen-enriched liquefied fluid at the same time as obtaining a gas-liquid two-phase air by condensing and liquefying part of the raw material air A first rectifying column that separates the gas-liquid two-phase air into a first nitrogen gas and a first oxygen-enriched liquefied fluid by low-temperature distillation, and the first oxygen-enriched liquefied fluid is subjected to low-temperature distillation after depressurization. The second rectification column that separates the second nitrogen gas and the second oxygen-enriched liquefied fluid, and the second oxygen-enriched liquefied fluid and the first nitrogen gas are indirectly heat-exchanged to exchange the first nitrogen gas. Condensed liquefaction to obtain first liquefied nitrogen and at the same time second oxygen-enriched liquefied fluid is evaporated and gasified to second oxygen-enriched A second indirect heat exchanger to obtain a scan fluid was withdrawn while the second oxygen-enriched liquefied stream body unevaporated gasified in the second indirect heat exchanger from the bottom of the second fractionator the liquid state A third rectification column for low-temperature distillation of the third oxygen-enriched liquefied fluid to separate it into a third oxygen-enriched gas fluid and a fourth oxygen-enriched liquefied fluid; and evaporative gasification by the first indirect heat exchanger the fourth oxygen enriched liquefied stream body the third rectification column fifth oxygen-enriched liquefied fluid second nitrogen the second nitrogen gas and allowed to indirect heat exchange after vacuum was extracted remain in the liquid state from the bottom of the A second indirect heat exchanger for condensing and liquefying gas to obtain second liquefied nitrogen and at the same time evaporating gas after depressurizing the fifth oxygen-enriched liquefied fluid to obtain a fifth oxygen-enriched gas fluid; Including a product recovery route for collecting part of the gas as product nitrogen gas after heat recovery That. Further, the second rectifying tower and the third rectifying tower may be a single tower type in which the third rectifying tower is integrated with a lower part of the second rectifying tower.
本発明によれば、製品窒素ガスの圧力が低い場合、例えば0.40MPa程度であっても、製品窒素ガスを効率よく採取することができ、動力原単位を低減することができる。 According to the present invention, when the pressure of the product nitrogen gas is low, the product nitrogen gas can be efficiently collected even when the pressure is about 0.40 MPa, for example, and the power consumption can be reduced.
図1は本発明の窒素製造方法を実施可能な窒素製造装置の第1形態例を示す系統図である。この窒素製造装置は、第1精留塔11,第2精留塔12及び第3精留塔13と、第3精留塔13の下部に設けられた第1間接熱交換器14,第2精留塔12の下部に設けられた第2間接熱交換器15及び第2精留塔12の上部に設けられた第3間接熱交換器16と、装置の運転に必要な寒冷を得るための膨張タービン17と、保冷外槽18に導入されるガス(原料空気)と保冷外槽18から導出されるガス(製品窒素ガス及び廃ガス)とを熱交換させる主熱交換器19とを備えている。
FIG. 1 is a system diagram showing a first embodiment of a nitrogen production apparatus capable of performing the nitrogen production method of the present invention. This nitrogen production apparatus includes a first rectifying
以下、原料空気を深冷液化分離して製品窒素を採取する方法に基づいて、装置構成及びプロセスを詳細に説明する。まず、原料空気(AIR)は、空気圧縮機21で所定の圧力に圧縮され、空気予冷器22で常温付近まで冷却された後、精製器23で原料空気中の水分や二酸化炭素等の不純物が吸着除去されて精製される。精製された圧縮原料空気は、経路24から保冷外槽18内に導入され、前記主熱交換器19で保冷外槽18内から導出されるガス(製品窒素ガス、廃ガス)と間接熱交換を行い、露点付近まで冷却される。
In the following, the apparatus configuration and process will be described in detail based on a method for collecting product nitrogen by cryogenic liquefaction separation of raw material air. First, the raw material air (AIR) is compressed to a predetermined pressure by the
主熱交換器19で冷却された原料空気は、経路25から前記第1間接熱交換器14に導入され、該第1間接熱交換器14で第1間接熱交換工程が行われる。この第1間接熱交換工程では、第3精留塔13の下部に分離した第4酸素富化液化流体と前記原料空気とが間接熱交換を行い、原料空気の一部が凝縮液化して気液二相空気になると同時に、第4酸素富化液化流体が蒸発ガス化して第4酸素富化ガス流体となる。
The raw air cooled by the
第1間接熱交換工程で得られた気液二相空気は、第1間接熱交換器14から経路26を経て前記第1精留塔11の下部に導入され、該第1精留塔11で気液二相空気の気相部(原料空気)に対する第1分離工程が行われる。この第1分離工程では、前記気液二相空気中のガス成分が第1精留塔11の上昇ガスとなり、第1精留塔11の上部から還流液として流下する第1液化窒素との気液接触により低温蒸留され、第1精留塔11の上部に原料空気中の窒素が濃縮されて第1窒素ガスが分離するとともに、第1精留塔11の下部に原料空気中の酸素が濃縮され、気液二相空気の液相部と混合して第1酸素富化液化流体が分離する。この第1酸素富化液化流体は、第1精留塔11の下部から経路27に導出され、減圧弁28で減圧された後、経路29を経て前記第2精留塔12の中部に導入される。
The gas-liquid two-phase air obtained in the first indirect heat exchange step is introduced from the first
また、前記第1窒素ガスは、第1精留塔11の上部から経路30に導出されて前記第2間接熱交換器15に導入され、該第2間接熱交換器15で第2間接熱交換工程が行われる。この第2間接熱交換工程では、第2精留塔12の下部に分離した第2酸素富化液化流体と前記第1窒素ガスとが間接熱交換を行い、第1窒素ガスの全量が凝縮液化して第1液化窒素になると同時に、第2酸素富化液化流体が蒸発ガス化して第2酸素富化ガス流体となる。第2間接熱交換器15から経路31に導出された第1液化窒素は、経路32と経路33とに分岐し、経路32に分岐した第1液化窒素は第1精留塔11の上部に導入され、第1精留塔11の下降液(還流液)となる。経路33に分岐した第1液化窒素は、減圧弁34で減圧された後、経路35を経て第2精留塔12の上部に導入されて第2精留塔12の還流液となる。
The first nitrogen gas is led out from the upper part of the first rectifying
第2精留塔12では、経路29から塔中部に導入された前記第1酸素富化液化流体に対する第2分離工程が行われる。この第2分離工程は、前記第1酸素富化液化流体と、経路35から塔上部に導入された前記第1液化窒素と、前記第2間接熱交換器15で蒸発ガス化した前記第2酸素富化ガス流体と、第2精留塔12上部の前記第3間接熱交換器16から経路36を経て導入される第2液化窒素と、第3精留塔13の上部から経路37を経て導入される第3酸素富化ガス流体との気液接触により低温蒸留が行われ、第2精留塔12の上部に第1酸素富化液化流体中の窒素成分が濃縮して第2窒素ガスが分離し、下部に第1酸素富化液化流体中の酸素成分が濃縮して前記第2酸素富化液化流体が分離する。
In the
第2窒素ガスは、第2精留塔12の上部から経路38に導出されて経路39と経路40とに分岐する。経路39に分岐した第2窒素ガスは製品回収工程に進み、主熱交換器19で前記原料空気と熱交換を行うことにより熱回収された後、製品回収経路41を経て保冷外槽18から導出され、製品窒素ガス(GN)として採取される。
The second nitrogen gas is led out from the upper part of the second rectifying
また、前記経路40に分岐した第2窒素ガスは前記第3間接熱交換器16に導入され、該第3間接熱交換器16で第3間接熱交換工程が行われる。この第3間接熱交換工程では、前記第3精留塔13の下部から経路42に導出され、減圧弁43で減圧して経路44から第3間接熱交換器16に導入される第5酸素富化液化流体と前記第2窒素ガスとが間接熱交換を行い、第2窒素ガスの全量が凝縮液化して第2液化窒素になると同時に、第5酸素富化液化流体が蒸発ガス化して第5酸素富化ガス流体になる。第2液化窒素は、前記経路36を経て第2精留塔12の上部に導入され、第2精留塔12の還流液となる。
The second nitrogen gas branched into the
第2精留塔12の下部に分離した前記第2酸素富化液化流体は、その一部が経路45に導出されて第3酸素富化液化流体となり、第3精留塔13の上部に導入されて第3精留塔13の還流液となり、第3酸素富化液化流体に対する第3分離工程が行われる。この第3分離工程では、前記第1間接熱交換器14での第1間接熱交換工程で蒸発ガス化した前記第4酸素富化ガス流体が上昇ガスとなり、還流液である前記第3酸素富化液化流体とが気液接触することによって低温蒸留され、第3精留塔13の上部に第3酸素富化液化流体中の窒素分が増加した第3酸素富化ガス流体が分離し、第3精留塔13の下部に第3酸素富化液化流体中の酸素分が増加した第4酸素富化液化流体が分離する。
A part of the second oxygen-enriched liquefied fluid separated at the lower part of the
前記第3酸素富化ガス流体は、第3精留塔13の上部から前記経路37に導出され、前記第2精留塔12の下部に上昇ガスとして導入される。また、前記第4酸素富化液化流体の一部は、第3精留塔13の下部から前記経路42に第5酸素富化液化流体として導出され、前記減圧弁43で減圧されて前記第3間接熱交換器16に導入される。第3間接熱交換器16における前記第3間接熱交換工程で第5酸素富化液化流体の全量が蒸発ガス化して第5酸素富化ガス流体になり、第3間接熱交換器16から経路46に導出される。
The third oxygen-enriched gas fluid is led out from the upper part of the
経路46に導出された第5酸素富化ガス流体は、経路46から経路47と経路48とに分岐し、経路47に分岐した第5酸素富化ガス流体は寒冷発生工程に進み、主熱交換器19で前記原料空気と熱交換を行うことによって一部熱回収された後、主熱交換器19の中間部から経路49に導出されて前記膨張タービン17に導入され、膨張タービン17で膨張することによって装置の運転に必要な寒冷を発生し、膨張タービン17から経路50に導出される。
The fifth oxygen-enriched gas fluid led to the
前記経路48に分岐した第5酸素富化ガス流体は、減圧弁51で減圧された後、前記経路50の膨張後の第5酸素富化ガス流体と合流し、主熱交換器19で前記原料空気と熱交換を行うことによって熱回収された後、保冷外槽18から経路52を経て廃ガス(WG)として導出され、一部は精製器23の再生ガスに用いられる。
The fifth oxygen-enriched gas fluid branched into the
図2は本発明の窒素製造方法を実施可能な窒素製造装置の第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の構成要素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。 FIG. 2 is a system diagram showing a second embodiment of a nitrogen production apparatus capable of performing the nitrogen production method of the present invention. In the following description, the same components as those of the nitrogen production apparatus shown in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
本形態例は、前記第1形態例における第2精留塔(12)と第3精留塔(13)とを一体化した精留塔(以下、便宜的に第4精留塔という)61を使用した窒素製造装置を示すもので、第4精留塔61は、前記第2精留塔(12)と同じ第2分離工程を行う第2精留塔部61aと、前記第3精留塔(13)と同じ第3分離工程を行う第3精留塔部61bとを有しており、前記第2精留塔部61aの下部に前記第3精留塔部61bを連設して一体化したものである。さらに、第3精留塔部61bの下部には、前記第1間接熱交換工程を行う第1間接熱交換器14が設けられ、第2精留塔部61aと第3精留塔部61bとの間には、前記第2間接熱交換工程を行う第2間接熱交換器15が設けられ、第2精留塔部61aの上部には、前記第3間接熱交換工程を行う第3間接熱交換器16が設けられている。
In this embodiment, a rectifying tower (hereinafter referred to as a fourth rectifying tower for convenience) 61 in which the second rectifying tower (12) and the third rectifying tower (13) in the first embodiment are integrated. The
第2間接熱交換器15の部分では、第2精留塔部61aの気液接触部から流下する前記第2酸素富化液化流体と前記第1窒素ガスとが間接熱交換を行い、第1窒素ガスが凝縮液化して第1液化窒素になると同時に、第2酸素富化液化流体の一部が蒸発ガス化して第2酸素富化ガス流体となり、第2精留塔部61aの上昇ガスとなる。また、第2間接熱交換器15で蒸発ガス化しなかった第2酸素富化液化流体は、液状のまま第3酸素富化液化流体となって下方の第3精留塔部61bに向かって流下し、第3精留塔部61bの還流液となる。さらに、第3精留塔部61bの気液接触部から上昇した第3酸素富化ガス流体は、第2間接熱交換器15の部分を通過して上昇し、第2精留塔部61aの上昇ガスとなる。
In the portion of the second
この第2形態例に示す窒素製造装置においても、前記第1形態例と同様の第1分離工程、第2分離工程、第3分離工程、第1間接熱交換工程、第2間接熱交換工程、第3間接熱交換工程、製品回収工程及び寒冷発生工程がそれぞれ行われ、製品回収経路41から製品窒素ガス(GN)が採取される。
Also in the nitrogen production apparatus shown in the second embodiment, the same first separation step, second separation step, third separation step, first indirect heat exchange step, second indirect heat exchange step as in the first embodiment, A third indirect heat exchange step, a product recovery step, and a cold generation step are performed, and product nitrogen gas (GN) is collected from the
図3は本発明の窒素製造方法を実施可能な窒素製造装置の第3形態例を示す系統図である。本形態例は、寒冷発生工程で寒冷を発生する流体を前記第5酸素富化ガス流体に代えて原料空気の一部を用いたものである。 FIG. 3 is a system diagram showing a third embodiment of a nitrogen production apparatus capable of performing the nitrogen production method of the present invention. In this embodiment, a part of the raw air is used in place of the fifth oxygen-enriched gas fluid instead of the fluid that generates cold in the cold generation step.
空気圧縮機21で圧縮され、空気予冷器22を経て精製器23で精製された原料空気(AIR)は、経路24から保冷外槽18内の主熱交換器19に導入され、該主熱交換器19の中間部で一部の原料空気が経路71に分岐し、膨張タービン17に導入されて寒冷発生工程を行う。膨張タービン17で膨張した一部の原料空気は、経路72を経て第3精留塔13の中部に上昇ガスとして導入され、第3酸素富化液化流体と共に第3分離工程に供される。
The raw material air (AIR) compressed by the
残部の原料空気は、主熱交換器19で露点付近まで冷却された後、前記第1形態例及び前記第2形態例と同様に、経路25から前記第1間接熱交換器14に導入され、以下、前記第1形態例及び前記第2形態例と同様に第1分離工程、第2分離工程、第3分離工程、第1間接熱交換工程、第2間接熱交換工程、第3間接熱交換工程及び製品回収工程が行われ、製品回収経路41から製品窒素ガス(GN)が採取される。また、第3間接熱交換器16で蒸発ガス化した第5酸素富化ガス流体は、寒冷発生工程を行うことなく、その全量が経路46を通って主熱交換器19に導入され、熱回収された後に経路52から廃ガス(WG)として導出される。
The remaining raw material air is cooled to near the dew point in the
また、前記膨張タービン17で膨張した一部の原料空気は、前記第3精留塔13に導入するのに代えて、経路73から第2精留塔12の中部に上昇ガスとして導入することもできる。この場合も、経路29から第2精留塔12の中部に導入される第1酸素富化液化流体とともに第2分離工程が行われ、他の各工程を前記同様に行うことにより、製品回収経路41から製品窒素ガス(GN)が採取される。
In addition, a part of the raw air expanded by the
図4は本発明の窒素製造方法を実施可能な窒素製造装置の第4形態例を示す系統図である。本形態例では、前記第3形態例と同様に、膨張タービン17で寒冷発生工程を行う流体を原料空気の一部にするとともに、前記第2形態例と同様に、第2分離工程を行う第2精留塔部61aと第3分離工程を行う第3精留塔部61bとを一体化した第4精留塔61を用いている。
FIG. 4 is a system diagram showing a fourth embodiment of a nitrogen production apparatus capable of performing the nitrogen production method of the present invention. In the present embodiment, as in the third embodiment, the fluid that performs the cold generation process in the
主熱交換器19の中間部で経路71に分岐し、膨張タービン17で膨張して寒冷発生工程を行い、膨張タービン17から経路72に導出された一部の原料空気は、経路72から第4精留塔61の第3精留塔部61b中部に上昇ガスとして導入され、前記同様に、第3酸素富化液化流体と共に第3分離工程が行われる。あるいは、経路73から第4精留塔61の第2精留塔部61a中部に上昇ガスとして導入され、前記同様に、第1酸素富化液化流体と共に第2分離工程が行われる。
A part of the raw material air branched from the
本形態例においても、前記各形態例と同様に、第1分離工程、第2分離工程、第3分離工程、第1間接熱交換工程、第2間接熱交換工程、第3間接熱交換工程及び製品回収工程が行われることにより、製品回収経路41から製品窒素ガス(GN)が採取される。
Also in this embodiment, the first separation step, the second separation step, the third separation step, the first indirect heat exchange step, the second indirect heat exchange step, the third indirect heat exchange step, and the respective embodiment examples, Product nitrogen gas (GN) is collected from the
以上の各形態例において、前記第1形態例及び第2形態例では、原料空気の全量が第1間接熱交換器14及び第2間接熱交換器15での間接熱交換に供されるため、第3形態例及び第4形態例に比べて第1間接熱交換器14及び第2間接熱交換器15における交換熱量が大きくなり、第2精留塔12及び第3精留塔13の上昇ガス量が増えるため、製品窒素ガスの収率を高くすることができる。
In each of the above embodiments, in the first embodiment and the second embodiment, the entire amount of the raw material air is subjected to indirect heat exchange in the first
一方、第3形態例及び第4形態例では、第5酸素富化ガス流体を膨張タービン17で膨張させる必要がないため、第5酸素富化ガス流体の圧力を第1形態例及び第2形態例に比べて下げることができる。これにより、各精留塔11,12,13の運転圧力を低くすることができるため、第1形態例及び第2形態例に比べて製品窒素ガスの圧力を低くすることができる。すなわち、回収する製品窒素ガスの圧力が、例えば0.40〜0.55MPa程度の比較的低い圧力の場合は、原料空気の一部を用いて寒冷発生工程を行うことにより、原料空気の圧力を低くすることができ、空気圧縮機21の消費動力が少なくなるため、より効率的に製品窒素ガスを製造でき、動力原単位を更に低減することができる。
On the other hand, in the third embodiment and the fourth embodiment, since it is not necessary to expand the fifth oxygen-enriched gas fluid by the
また、低温の液化ガスを利用可能な環境にある場合には、該液化ガスを、該液化ガスの組成に見合った経路に注入して液化ガス注入工程を行うことにより、装置の運転に必要な寒冷を補うことができる。この場合、原料空気の全量を第1間接熱交換器14及び第2間接熱交換器15での間接熱交換に供することができるとともに、第5酸素富化ガス流体の圧力を下げることができることから、製品窒素ガスの収率を高くでき、動力原単位の低減を図れることができるので、注入する液化ガスのコストが低廉な場合には効果的である。
Further, in an environment where a low-temperature liquefied gas can be used, the liquefied gas is injected into a path corresponding to the composition of the liquefied gas and a liquefied gas injection step is performed, which is necessary for the operation of the apparatus. Can compensate for cold. In this case, the entire amount of the raw material air can be used for indirect heat exchange in the first
第1形態例で示した窒素製造装置を使用し、原料空気流量を100、製品窒素ガス圧力を0.60MPa、製品窒素ガス中の許容酸素濃度を0.1ppmとしたときの各経路におけるプロセス値をシミュレーションした。圧力1.00MPaの原料空気を、圧力0.97MPaの第1精留塔11、圧力0.61MPaの第2精留塔12及び圧力0.63MPaの第3精留塔13で各分離工程及び各間接熱交換器14,15,16で各間接熱交換工程をそれぞれ行うことにより、流量68、圧力0.60MPa、酸素濃度0.1ppmの製品窒素ガスが回収される。また、流量32、圧力0.21MPa、酸素濃度66%の第5酸素富化ガス流体は、その大部分が膨張タービン10での寒冷発生に利用され、熱回収された後に、精製器23の再生ガスとして利用される。各経路のプロセス値を表1に示す。
第3形態例で示した窒素製造装置を使用し、原料空気流量を100、製品窒素ガス圧力を0.40MPa、製品窒素ガス中の許容酸素濃度を0.1ppmとしたときの各経路におけるプロセス値をシミュレーションした。 Process value in each path when the nitrogen production apparatus shown in the third embodiment is used, the raw material air flow rate is 100, the product nitrogen gas pressure is 0.40 MPa, and the allowable oxygen concentration in the product nitrogen gas is 0.1 ppm. Was simulated.
圧力0.66MPaの原料空気を、圧力0.64MPaの第1精留塔11、圧力0.41MPaの第2精留塔12及び圧力0.43MPaの第3精留塔13で各分離工程及び各間接熱交換器14,15,16で各間接熱交換工程をそれぞれ行うことにより、流量64、圧力0.40MPa、酸素濃度0.1ppmの製品窒素ガスが回収される。また、流量36、圧力0.13MPa、酸素濃度58%の第5酸素富化ガス流体は、熱回収された後に精製器23の再生ガスとして利用される。各経路のプロセス値を表2に示す。
また、図5に示す前記特許文献1に記載された窒素製造装置(比較例1)、図6に示す前記特許文献2に記載された窒素製造装置(比較例2)、図7に示す複式精留プロセスを窒素製造用として膨張タービンで膨張させる流体を廃ガスの一部とした窒素製造装置(比較例3)、図8に示す複式精留プロセスを窒素製造用として膨張タービンで膨張させる流体を原料空気の一部とした窒素製造装置(比較例4)のそれぞれにおいて、製品窒素ガス圧力を0.80MPa、0.60MPa及び0.40MPa許容酸素濃度を0.1ppmとしたときの動力原単位及び原料空気圧力を算出した。
Further, the nitrogen production apparatus described in
図5に示す窒素製造装置は、精留塔を2塔備えた二塔型であって、第1精留塔101、第2精留塔102、第1凝縮器103、第2凝縮器104、膨張タービン105、主熱交換器106、製品窒素圧縮機107を備えている。
The nitrogen production apparatus shown in FIG. 5 is a two-column type equipped with two rectification columns, and includes a first rectification column 101, a
空気圧縮機21,空気予冷器22,精製器23を経て主熱交換器106で冷却された原料空気は、第1精留塔101の下部に導入されて低温蒸留され、塔上部の第1窒素ガスと塔下部の第1酸素富化液化流体とに分離する。第1精留塔101からそれぞれ導出された前記第1窒素ガスと前記第1酸素富化液化流体とは、第1凝縮器103で間接熱交換することにより、第1窒素ガスが凝縮液化して第1液化窒素になると同時に第1酸素富化液化流体が蒸発ガス化して第1酸素富化ガス流体になる。第1液化窒素は第1精留塔101の上部に導入され、第1精留塔101の還流液となる。
The raw material air cooled by the
前記第1酸素富化ガス流体の一部は、第2精留塔102の下部に導入されて低温蒸留され、塔上部の第2窒素ガスと塔下部の第2酸素富化液化流体とに分離する。第2精留塔102からそれぞれ導出された前記第2窒素ガスと前記第2酸素富化液化流体とは、第2凝縮器104で間接熱交換することにより、第2窒素ガスが凝縮液化して第2液化窒素になると同時に第2酸素富化液化流体が蒸発ガス化して第2酸素富化ガス流体になる。
A part of the first oxygen-enriched gas fluid is introduced into the lower part of the
第1精留塔101から導出された前記第1窒素ガスの一部は、主熱交換器106で熱回収された後に第1製品窒素ガスとして経路108に導出される。また、第2精留塔102から導出された前記第2窒素ガスの一部も、主熱交換器106で熱回収された後に第2製品窒素ガスとして経路109に導出され、製品窒素圧縮機107で前記第1製品窒素ガスと同じ圧力に昇圧される。経路108の第1製品窒素ガスと製品窒素圧縮機107で昇圧された第2製品窒素ガスとが合流し、製品窒素ガス(GN)として採取される。
A part of the first nitrogen gas led out from the first rectifying column 101 is recovered by the
前記第1酸素富化ガス流体の残部は、主熱交換器106で一部熱回収された後、膨張タービン105に導入され、膨張タービン105で膨張することによって装置の運転に必要な寒冷を発生する。また、前記第2酸素富化ガス流体は、膨張後の第1酸素富化ガス流体と合流して主熱交換器106で熱回収された後、廃ガス(WG)として導出される。
The remaining portion of the first oxygen-enriched gas fluid is partially recovered by the
図6に示す窒素製造装置は、精留塔を3塔備えた三塔型であって、第1精留塔111,第2精留塔112、第3精留塔113、第1凝縮器114,第2凝縮器115、第3凝縮器116、膨張タービン117、主熱交換器118、製品窒素圧縮機119を備えている。
The nitrogen production apparatus shown in FIG. 6 is a three-column type including three rectifying columns, and includes a first rectifying column 111, a
空気圧縮機21,空気予冷器22,精製器23を経て主熱交換器118で冷却された原料空気は、第1精留塔111の下部に導入されて低温蒸留され、塔上部の第1窒素ガスと塔下部の第1酸素富化液化流体とに分離する。第1精留塔111の上部から導出された前記第1窒素ガスは3つの経路に分岐し、第1の経路に分岐した第1窒素ガスは、主熱交換器118で熱回収された後、第1製品窒素ガスとして経路120に導出される。
The raw material air cooled by the
第1精留塔111から導出された前記第1酸素富化液化流体は、減圧後に第2精留塔112の上部に導入されて低温蒸留され、前記第1酸素富化液化流体よりも酸素組成が低い第2原料空気が塔上部に分離し、前記第1酸素富化液化流体よりも酸素組成が高い第2酸素富化液化流体が塔下部に分離する。第2酸素富化液化流体の一部は、第2の経路に分岐した第1窒素ガスと第1凝縮器114で間接熱交換を行い、蒸発ガス化して第2精留塔112の上昇ガスとなる。また、第1窒素ガスは液化して第1精留塔111の上部に導入され、第1精留塔111の還流液となる。
The first oxygen-enriched liquefied fluid led out from the first rectifying column 111 is introduced into the upper part of the
第2精留塔112から導出された前記第2原料空気は、第3精留塔113の下部に導入されて低温蒸留され、塔上部の第2窒素ガスと塔下部の第3酸素富化液化流体とに分離する。第3精留塔113から導出された前記第2窒素ガスの一部は、前記主熱交換器118で熱回収された後、第2製品窒素ガスとして経路121に導出され、製品窒素圧縮機119で前記第1製品窒素ガスと同じ圧力に昇圧される。経路120の第1製品窒素ガスと製品窒素圧縮機119で昇圧された第2製品窒素ガスとが合流し、製品窒素ガス(GN)として採取される。
The second raw material air derived from the
第3精留塔113から導出された前記第3酸素富化液化流体は、減圧後に第2凝縮器115に導入され、前記第2窒素ガスの残部と間接熱交換を行い、第3酸素富化液化流体が蒸発ガス化して第2酸素富化ガス流体になるとともに、第2窒素ガスが液化して第2液化窒素になる。この第2液化窒素は、第3精留塔113の上部に導入され、第3精留塔13の還流液となる。
The third oxygen-enriched liquefied fluid derived from the
前記第2酸素富化液化流体の残部は、第2精留塔112から導出されて第3凝縮器116に導入され、第3の経路に分岐した前記第1窒素ガスの残部と間接熱交換を行い、第2酸素富化液化流体が蒸発ガス化して第3酸素富化ガス流体になるとともに、第1窒素ガスが液化して第3液化窒素になる。この第3液化窒素は、前記第1凝縮器114で液化した前記第1液化窒素に合流し、第1精留塔111の上部に還流液として導入される。
The remaining portion of the second oxygen-enriched liquefied fluid is led out from the
前記第3酸素富化ガス流体は、主熱交換器118で一部熱回収された後、膨張タービン117に導入され、膨張タービン117で膨張することによって装置の運転に必要な寒冷を発生する。膨張後の第3酸素富化ガス流体は、前記第2酸素富化ガス流体と合流して主熱交換器118に導入され、熱回収され後に廃ガス(WG)として導出される。
The third oxygen-enriched gas fluid is partially recovered by the
図7に示す複式精留プロセスからなる窒素製造装置は、第1精留塔(高圧塔)131,第2精留塔(低圧塔)132及び主凝縮蒸発器133を有する複式精留塔と、膨張する流体として廃ガスを使用した膨張タービン134、主熱交換器135、過冷器136、製品窒素圧縮機137を備えている。
The nitrogen production apparatus comprising the double rectification process shown in FIG. 7 includes a double rectification column having a first rectification column (high pressure column) 131, a second rectification column (low pressure column) 132, and a main condensing
空気圧縮機21,空気予冷器22,精製器23を経て主熱交換器135に導入された原料空気は、第1精留塔131の下部に導入されて低温蒸留され、塔上部の第1窒素ガスと塔下部の第1酸素富化液化流体とに分離する。第1酸素富化液化流体は、過冷器136で冷却された後、減圧されて第2精留塔132の中部に導入されて低温蒸留され、塔上部の第2窒素ガスと塔下部の第2酸素富化液化流体とに分離する。
The raw material air introduced into the
前記第1窒素ガスは、一部が主凝縮蒸発器133に導入され、前記第2酸素富化液化流体を蒸発ガス化させるとともに凝縮液化して液化窒素となり、その一部が第2精留塔132の上部に還流液として導入され、残部は第1精留塔131の上部に還流液として導入される。主凝縮蒸発器133で蒸発ガス化した酸素富化ガス流体の一部は、第2精留塔142の上昇ガスとなる。
A part of the first nitrogen gas is introduced into the main condensing
酸素富化ガス流体の残部は、主熱交換器135で一部熱回収された後、膨張タービン134に導入され、膨張タービン134で膨張することによって装置の運転に必要な寒冷を発生する。膨張後の酸素富化ガス流体は、主熱交換器135で熱回収された後、廃ガス(WG)として導出される。
The remainder of the oxygen-enriched gas fluid is partially recovered by the
前記第1精留塔131の上部から導出された第1窒素ガスの残部は、主熱交換器135で熱回収された後、第1製品窒素ガスとして経路138に導出される。また、前記第2精留塔132の上部から導出された第2窒素ガスは、過冷器136及び主熱交換器135で熱回収された後、第2製品窒素ガスとして経路139に導出され、製品窒素圧縮機137で前記第1製品窒素ガスと同じ圧力に昇圧される。経路138の第1製品窒素ガスと製品窒素圧縮機137で昇圧された第2製品窒素ガスとが合流し、製品窒素ガス(GN)として採取される。
The remaining portion of the first nitrogen gas led out from the upper part of the
図8に示す複式精留プロセスからなる窒素製造装置は、第1精留塔(高圧塔)141,第2精留塔(低圧塔)142及び主凝縮蒸発器143を有する複式精留塔と、膨張する流体として原料空気の一部を使用した膨張タービン144、主熱交換器145、過冷器146、製品窒素圧縮機147を備えている。
The nitrogen production apparatus comprising the double rectification process shown in FIG. 8 includes a double rectification column having a first rectification column (high pressure column) 141, a second rectification column (low pressure column) 142, and a
空気圧縮機21,空気予冷器22,精製器23を経て主熱交換器145に導入された原料空気は、一部が主熱交換器145の中間で分岐して膨張タービン144に導入され、膨張して装置の運転に必要な寒冷を発生した後に第2精留塔142の中部に導入される。残りの大部分の原料空気は、第1精留塔141の下部に導入されて低温蒸留され、塔上部の第1窒素ガスと塔下部の第1酸素富化液化流体とに分離する。第1酸素富化液化流体は、過冷器146で冷却された後、減圧されて第2精留塔142の中部に導入され、膨張後の前記原料空気の一部と共に低温蒸留され、塔上部の第2窒素ガスと塔下部の第2酸素富化液化流体とに分離する。
Part of the raw air introduced into the
前記第1窒素ガスは、一部が主凝縮蒸発器143に導入され、前記第2酸素富化液化流体を蒸発ガス化させるとともに凝縮液化して液化窒素となり、その一部が第2精留塔142の上部に還流液として導入され、残部は第1精留塔141の上部に還流液として導入される。主凝縮蒸発器143で蒸発ガス化した酸素富化ガス流体の一部は、第2精留塔142の上昇ガスとなる。酸素富化ガス流体の残部は、主熱交換器145で熱回収された後、廃ガス(WG)として導出される。
A part of the first nitrogen gas is introduced into the main condensing
前記第1精留塔141の上部から導出された第1窒素ガスの残部は、主熱交換器145で熱回収された後、第1製品窒素ガスとして経路148に導出される。また、前記第2精留塔142の上部から導出された第2窒素ガスは、過冷器146及び主熱交換器145で熱回収された後、第2製品窒素ガスとして経路149に導出され、製品窒素圧縮機147で前記第1製品窒素ガスと同じ圧力に昇圧される。経路148の第1製品窒素ガスと製品窒素圧縮機147で昇圧された第2製品窒素ガスとが合流し、製品窒素ガス(GN)として採取される。
The remaining portion of the first nitrogen gas derived from the upper part of the
表3に、各実施例及び各比較例における動力原単位を示すとともに、括弧内にそれぞれ原料空気圧力を示す。動力原単位の数値は、実施例1で製品窒素ガスを0.80MPaで採取したときの動力原単位を100とした相対値である。
表3において、比較例1の窒素製造装置では圧力が0.60MPa及び0.40MPaの製品窒素ガスを製造すること、実施例1、比較例2及び比較例3の窒素製造装置では圧力が0.40MPaの製品窒素ガスを製造することは、プロセス上、共に成立しなかった。 In Table 3, the nitrogen production apparatus of Comparative Example 1 produces product nitrogen gas having a pressure of 0.60 MPa and 0.40 MPa, and the nitrogen production apparatuses of Example 1, Comparative Example 2 and Comparative Example 3 have a pressure of 0.00. Production of 40 MPa product nitrogen gas was not achieved in the process.
また、製品窒素圧力が0.60MPa以下の場合には、本実施例1,2の窒素製造装置は、比較例2〜4の窒素製造装置に比べて、各圧力の製品窒素ガスを製造する際のいずれにおいても動力原単位を大幅に低減できることがわかる。 In addition, when the product nitrogen pressure is 0.60 MPa or less, the nitrogen production apparatuses of Examples 1 and 2 are more suitable for producing product nitrogen gas at each pressure than the nitrogen production apparatuses of Comparative Examples 2 to 4. It can be seen that the power unit can be greatly reduced in any of the cases.
さらに、いずれの場合でも、本実施例1,2における原料空気圧力が各比較例に比べて高くなっているため、精製器(23)として一般的な吸着式精製器を用いる場合は、原料空気圧力が高いことから精製器を小さくすることができ、吸着剤量も少なくすることができるため、装置コストの点でも有利であり、必要な再生ガス量も少なくすることができる。特に、比較例4の窒素製造装置で0.40MPaの製品窒素ガスを製造する際は、原料空気圧力がかなり低くなるため、精製器が大型化して吸着剤量が大幅に増加することになり、装置コストが上昇するだけでなく、再生ガスを確保するために製品窒素ガス量が犠牲になるおそれもある。 Furthermore, in any case, since the raw material air pressure in Examples 1 and 2 is higher than that in the respective comparative examples, when a general adsorption type purifier is used as the purifier (23), the raw material air is used. Since the pressure is high, the purifier can be made smaller and the amount of adsorbent can be reduced, which is advantageous in terms of apparatus cost, and the amount of necessary regenerated gas can be reduced. In particular, when producing 0.40 MPa product nitrogen gas in the nitrogen production apparatus of Comparative Example 4, since the raw material air pressure becomes considerably low, the size of the purifier increases and the amount of adsorbent increases significantly. Not only the cost of the apparatus increases, but also the amount of product nitrogen gas may be sacrificed to secure the regeneration gas.
また、両実施例では、窒素圧縮機を設ける必要はないが、各比較例では、製品窒素圧力に見合った圧力で運転される精留塔から製品窒素ガスを導出するとともに、低圧で運転される精留塔からも低圧の窒素ガスを導出し、この低圧窒素ガスを昇圧して前記製品窒素ガスに合流させるようにしているため、空気圧縮機とは別に窒素圧縮機を設ける必要もある。 Further, in both examples, it is not necessary to provide a nitrogen compressor, but in each comparative example, the product nitrogen gas is derived from a rectifying column operated at a pressure corresponding to the product nitrogen pressure and is operated at a low pressure. Since the low-pressure nitrogen gas is also derived from the rectification column, and the low-pressure nitrogen gas is pressurized and merged with the product nitrogen gas, it is necessary to provide a nitrogen compressor separately from the air compressor.
11…第1精留塔、12…第2精留塔、13…第3精留塔、14…第1間接熱交換器、15…第2間接熱交換器、16…第3間接熱交換器、17…膨張タービン、18…保冷外槽、19…主熱交換器、21…空気圧縮機、22…空気予冷器、23…精製器、28,34,43,51…減圧弁、41…製品回収経路、AIR…原料空気、GN…製品窒素ガス、WG…廃ガス
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