JPH0140268B2 - - Google Patents
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Description
産業上の利用分野
本発明は、極低温蒸留による空気分離の分野に
関するものであり、特には抜出し窒素を再循環す
る必要なく窒素を比較的高純度において且つ高い
回収率において製造することを可能とする改善に
関する。 発明の背景 比較的高純度における窒素は、ガラスやアルミ
ニウム製造のような産業においてまた重油や天然
ガスの回収率の向上を図つて、ガスシール、撹拌
或いは不活性化目的のような用途において次第に
利用度が増加しつつある。こうした用途は、大量
の窒素を消費し従つて高い回収率において且つ比
較的低コストにおいて比較的高純度の窒素を製造
することへの必要性が存在する。 従来技術 従来、窒素は空気分離により製造されてきた
が、こうした大量の窒素を比較的高純度で安価に
製造することへの専用の技術は確立されていな
い。 発明の目的 本発明の目的は、空気の極低温蒸留による分離
の為の改善された空気分離プロセスを提供するこ
とである。 本発明のまた別の目的は、比較的高い純度にお
いて且つ比較的高い収率において窒素を製造する
ことの出来る極低温空気分離の為の改善された空
気分離プロセスを提供することである。 本発明の更に別の目的は、比較高純度で且つ比
較的高い収率において窒素を製造することの出来
る、極低温空気分離用の改善された単塔式空気分
離方法を提供することである。 本発明の更に別の目的は、窒素再循環流れを使
用する必要性を回避しつつ極低温空気分離の為の
改善された単塔式空気分離プロセスを提供するこ
とである。 発明の概要 設備投資は、二塔式空気分離プロセスよりも単
一塔を使用することにより低く維持される。運転
コストはエネルギーの効率の良い操作により低減
される。空気分離プロセスにより必要とされる電
力の大部分は供給空気圧縮機により消費されるか
ら、供給空気の実用上なるだけ多くを生成物とし
て回収することが望ましい。更に、空気をその成
分に分離ししかもその後分離成分の一部を再循環
することから生ずる非効率性を回避することも望
ましい。こうした観点から、本発明は、供給空気
の極低温精留により比較的高い収率及び純度にお
いて窒素を製造する新規な方法を提供する。本方
法は、 (1) 2.4〜10.2Kg／cm2（絶対圧）の範囲の圧力に
おいて運転される精留塔内に供給空気の大部分
を導入し、ここで供給空気を窒素富化蒸気と酸
素富化液体とに分別する段階と、 (2) 供給空気の小部分を、前記酸素富化液体との
間接熱交換により、前記塔が運転される圧力よ
り高い圧力において凝縮する段階と、 (3) 供給空気の生成する凝縮小部分を、前記搭内
に、前記供給空気の大部分が塔内に導入される
地点より少なくとも１つのトレイ上方の地点に
おいて導入する段階と、 (4) 前記窒素富化蒸気の第１部分を酸素富化液体
との間接熱交換により凝縮する段階と、 (5) 生成する凝縮窒素富化部分の少くとも一部
を、前記供給空気小部分が塔内に導入される地
点より少くとも１つのトレイ上方の地点におい
て塔内に通す段階と、 (6) 窒素富化蒸気の残る第２部分の実質全体を生
成物窒素として回収する段階と を包含する。 用語の定義 「塔」とは、蒸留或いは分留カラム或いは帯
域、即ち液体相と蒸気相とを向流的に接触せしめ
て流体混合物の分離をもたらす接触カラム或いは
帯域を意味する。これは例えば、塔内に取付けら
れた一連の垂直に離間されたトレイ或いはプレー
トにおいて或いは塔を充填する充填要素において
蒸気及び液体相を接触することによりもたらされ
る。蒸留塔のこれ以上の説明は、マツクグロウ−
ヒルブツクカンパニー社刊「ケミカルエンジニア
ズハンドブツク」５編、13節、13−３頁を参照さ
れたい。 「２塔」という用語は、低圧塔と、その下端と
熱交換関係にある上端を具備する高圧塔とを意味
する。詳細には、オツクスフオードユニバーシテ
イプレス社刊（1949年）「ザセパレーシヨン オ
ブ ガス」章を参照されたい。 「蒸気及び液体接触分離プロセス」は成分に対
する蒸気圧の差に依存する分離プロセスである。
高蒸気圧（即ち高揮発性或いは低沸点の）成分は
蒸気相中に濃縮する傾向があり、他方低蒸気圧
（低揮発性或いは高沸点の）成分は液体相中に濃
縮する傾向がある。「蒸留」は、液体混合物を加
熱することにより蒸気相中に揮発性成分を濃縮し
そして低揮発性成分を液体相中に濃縮するのに使
用されるような分離方法である。 「部分凝縮」は、蒸気混合物の冷却が蒸気相に
おいて揮発性成分を濃縮しそしてそれにより液体
相中に低揮発性成分を濃縮するのに使用される分
離プロセスである。「精留」或いは「連続蒸留」
は、蒸気相及び液体相の向流処理によつて得られ
るような順次しての部分蒸発及び凝縮を組合せる
分離プロセスである。蒸気及び液体相の向流接触
は断熱的でありそして相間の連続的な或いは段階
的な接触を含みうる。混合物を分離するのに精留
の原理を使用する分離プロセス設備は、しばし
ば、精留、蒸留塔或いは分留塔と互換的に呼称さ
れる。「間接熱交換」とは、２つの流体流れを両
者相互の物理的接触或いは混合なく熱交換関係に
持ちきたすことを意味する。 「トレイ」とは、接触ステージを意味し、これ
は必ずしも平衡ステージ（段）ではなくそして１
トレイに等価の分離能力を有する充填要素のよう
な他の接触手段をも包括しうる。 「平衡ステージ」は、ステージを離れる蒸気及
び液体が物質移動平衡にあるような気液接触段、
例えば100％効率を有するトレイ或いは１理論段
数の相当高さ（HETP）に等価な充填要素を意
味する。 具体的説明 本発明方法を図面を参照した説明する。 第１図を参照すると、供給空気４０は、圧縮機
１において圧縮されそして圧縮された供給空気流
れ２は熱交換器３において単数乃至複数の流れ４
との間接熱交換により冷却される。流れ４は都合
良くは空気分離プロセスからの返送流れでありう
る。水や二酸化炭素のような不純物が逆転式熱交
換或いは吸着のような任意の従来方法により除去
されうる。 圧縮されそして冷却された供給空気５は大部分
（流れ）と小部分（流れ）７とに分割される。大
部分６は、供給空気総量の約55〜90％、好ましく
は供給空気の約60〜90％を構成しうる。小部分７
は、供給空気総量の約10〜45％、好ましくは約10
〜40％、もつとも好ましくは15〜35％を構成しう
る。 大部分６は、プロセスに対する冷凍能力を創出
する為ターボエキスパンダ８を通して膨脹され
る。膨脹流れ４１は約2.4〜10.2Kg／cm2（絶対圧、
以下同様）好ましくは約2.8〜７Kg／cm2の範囲の
圧力において運転される塔９内に導入される。こ
の圧力範囲下限より低いと、所定の熱交換が有効
に働かずそして圧力範囲上限を越えると、小部分
７が過剰圧力を必要とする。供給空気の大部分は
塔９内に導入される。塔９内で、供給空気は、極
低温分留によつて、窒素富化蒸気と酸素富化液体
とに分別される。 小部分７は、塔９の底部における凝縮器１０に
通され、ここで酸素富化液体との間接熱交換によ
り凝縮される。後者は蒸発して塔に対するストリ
ツピング蒸気を生成する。生成する凝縮小部分１
１は、弁１２を通して膨脹されそして塔９内に供
給空気大部分が塔内に導入された地点より少くと
も１トレイ上方の地点において流れ４２として導
入される。第１図において、トレイ１４は流れ４
１が塔９内に導入された地点上方にありそして流
れ４２はトレイ１４より上方で塔９内に導入され
るものとして示されている。塔９内に導入された
液化小部分は液体還流として働きそして極低温精
留によつて窒素富化蒸気と酸素富化液体とに分離
される。 前述したように、凝縮器１０を通して流れる供
給空気の小部分は塔９の運転圧力より高い圧力に
ある。これは、塔底において酸素富化液体を蒸発
せしめる為に必要とされる。何となれば、この液
体は供給空気よりも高い酸素濃度を有しているか
らである。一般に、小部分の圧力は、塔が運転さ
れる圧力より0.7〜6.3Kg／cm2、好ましくは1.05〜
4.2Kg／cm2高い。 従つて、凝縮器１０に流入する供給空気小部分
の圧力は塔９に流入する供給空気大部分の圧力を
越えることが理解される。第１図はこの圧力差を
実現するのに好ましい方法を例示し、ここでは供
給空気全体流れが圧縮されそして後小部分は塔９
への導入前にターボエキスパンダで膨脹されてプ
ラント冷凍能力を生みだしている。別法として
は、供給空気小部分のみが塔運転圧力を越える所
定圧力まで圧縮されうる。この場合、プラント冷
凍能力は戻り廃ガス或いは生成物流れの膨脹によ
り与えられる。また別の変更例において、プラン
ト冷凍能力の一部は供給空気大部の膨脹によりそ
して一部は戻り流れの膨脹により与えられる。 先に述べたように、塔９内の供給空気は、窒素
富化蒸気と酸素富化液に分別される。窒素富化蒸
気の第１部分１９は、凝縮器１８において、塔９
の底部から流れ１６として取出され、弁１７を通
して膨脹されそして凝縮器１８の沸騰側に導入さ
れる酸素富化液体との間接熱交換により凝縮され
る。この熱交換から生ずる酸素富化蒸気は流れ２
３として取出される。この流れは、プラント冷凍
能力を発生せしめる為膨脹されてもよいし、全体
的に或いは部分的に回収されてもよいし或いは大
気に単に放出してもよい。この頭上熱交換器から
生成する凝縮第１窒素富化部分２０は、少くとも
部分的に、塔９に、供給空気小部分が塔９に導入
される地点より少くとも１トレイ上方の地点にお
いて液体環流として通される。第１図において、
トレイ１５は流れ４２が塔９内に導入される地点
より上方にありそして流れ２０はトレイ１５上方
で塔９内に導入されるものとして示されている。
所望なら、流れ２０の一部２１は高純度液体窒素
として取出され回収しうる。これが使用される場
合、部分２１は流れ２０の約１〜10％である。 窒素富化蒸気の残る第２部分２２は、一部を塔
に戻して再循環することなく塔から取出されそし
て生成物窒素として回収される。生成物窒素は少
くとも98モル％の純度を有しそして99.9999モル
％までの純度即ち1ppm以下酸素汚染物を有する
ものと為しうる。生成物窒素は高収率で回収され
る。一般に、生成物窒素即ち流れ２２と使用され
るなら流れ２１において回収される窒素は供給空
気として塔９に導入された窒素の少くとも50％、
代表的には供給空気窒素量の少くとも60％を占め
る。窒素収率は約82％までの範囲をとりうる。 第２図は、本発明方法の好ましい具体例を使用
する総合的空気分離プラントを例示する。対応す
る要素に対しては、第２図の参照番号は第１図の
ものと同じとしてある。第２図を参照すると、圧
縮された供給空気２は流出流れと熱交換関係で逆
転式熱交換器３を通ることにより冷却される。供
給流れの中の、二酸化炭素や水のような高沸騰不
純物は熱交換器３の通路に付着される。当業者に
知られているように、逆転式熱交換においては供
給空気が通る通路は、付着不純物が熱交換器から
流し出して掃除されうるように流出流れ２５の通
路と交互方式とされている。冷却され、浄化され
た圧縮空気流れ５は、大部分（流れ）６と小部分
（流れ）７とに分割される。小部分７のすべて或
いはほとんどは凝縮器１０に流れ２６として通さ
れる。小部分７のごく一部（第３部分）２７は、
後述するように熱バランスを満す為に凝縮器１０
をバイパスされる。第１図を参照して先に述べた
ように、供給空気小部分２６は塔底液を蒸発する
ことによつて凝縮器１０内で凝縮し、この液化し
た空気１１は、塔運転圧力まで弁１２を通して膨
脹しそして塔９内に４２として導入される。 供給空気の大部分６は膨脹タービン８に送られ
る。大部分６の分岐流れ２８は当業者に周知の態
様で熱交換器３の熱バランスと温度分布の管理の
為熱交換器３を部分的に通る。分岐流れ２８は流
れ６と再合流しそして膨脹器８通過後、供給空気
大部分は塔９に導入される。 塔９の底に貯まる酸素富化液体は流れ１６とし
て抜出され、熱交換器３０において流出流れによ
り冷却され、弁１７を通して膨脹されそして凝縮
器１８の沸騰側に導入され、ここで流れ１９とし
て凝縮器１８に導入された窒素富化蒸気との熱交
換により蒸発する。生成する酸素富化蒸気は流れ
２３として抜出され、熱交換器３０及び３を通つ
て、流れ４３として流出する。窒素富化蒸気は流
れ２２として塔９から抜出され、熱交換器３０及
び３を通つて、生成物窒素として流れ４４におい
て回収される。頭上熱交換器から生ずる凝縮窒素
２０は環流として塔９に入る。この液体窒素の一
部２１も回収しうる。 供給空気小部分７の一部（第３部分）１７は熱
交換器３０においてサブ冷却されそしてこの熱交
換器はこの少量流れを凝縮するよう機能する。生
成する液化空気４５は空気流れ１１に付加されそ
して塔９に導入される。この少量の液化空気流れ
の目的は、塔周辺でのまた逆転式熱交換器におけ
る熱バランスを満足させることである。この付加
的な冷凍流れは、相当量の液体窒素生成物の製造
が所望されるなら、塔に付加されることを必要と
される。加えて、空気流れ２７は熱交換器３にお
いて液体空気が形成されないよう熱交換器３０に
おける返送流れを加温するのに使用される。流れ
２７は一般に塔への総供給空気の10％以下であ
り、当業者なら周知の熱バランス技術を使用する
ことにより流れ２７の量を容易に決定することが
出来る。 本発明方法が、窒素の回収率の増加を実現でき
る態用は、第３及び４図を参照して実証しうる。
第３及び４図は、従来型式の単塔式空気分離プロ
セス及び本発明プロセスそれぞれに対してのマツ
ケーブ・シーレ図である。マツケーブ・シーレ図
は当業界ではよく知られておりそして詳細は「ユ
ニツト オペレーシヨン オブ ケミカル エン
ジニアリング」−マツクグローヒルブツク社刊−
12章、689〜708頁（1956）を参照されたい。 第３及び４図において、横軸は液体相中の窒素
のモル分率を表しそして縦軸は気相中の窒素のモ
ル分率を表す。直線Ａはｘ＝ｙを表す対角線であ
る。曲線Ｂは与えられた圧力における酸素及び窒
素に対する平衡曲線である。当業者には良く知ら
れるように、所定の分離を実現する為の最小設備
コスト、即ち最小理論段数は、塔内の各点での液
体対蒸気の比率である操作線を直線Ａと一致させ
ることにより、即ち全環流を採用することにより
表される。もちろん、全環流においては生成物は
生産されない。最小可能運転コストは、直線Ａ上
の最終生成物純度の点及び供給条件と平衡曲線と
の交点を含む線により制限される。従来の塔に対
して最小環流に対する操作線が第３図の曲線Ｃに
より与えられる。最小環流での運転は最大量の生
成物を産出する即ち最大回収率を与えるが、無限
の理論段数を必要とする。実際の装置は、上記両
極端条件の間で運転されている。 本発明の方法において高い窒素回収率が実現し
うることは、第４図に示される。第４図を参照す
ると、操作線の区画Ｄは供給空気大部分及び小部
分導入点間での塔部分を表しそして区画Ｅは供給
空気小部分導入点より上方での塔部分を表す。区
画Ｅの傾斜の小さいことは塔の最頂部での液体環
流が少くてすみ、従つて一層多くの窒素が生成物
として取出されうることを示す。79％の窒素濃度
における液体として塔内への供給空気小部分の導
入は、平衡線に対して一層良好な形を与え、区画
Ｅの傾斜が一層小さくなることを可能とする。第
４図において、第３図より操作線が平衡線に一層
接近している。 既に示したように、供給空気小部分の流量は総
空気供給量の10〜45％、好ましくは10〜40％であ
る。供給空気小部分の流量は酸素廃棄量の増加、
従つて窒素回収率の増加という利益を実現する為
には指定された最小流量に少くとも等しくしなけ
ればならない。指定最大値を越えての供給空気小
部分流量は圧縮コストを増大しそして分離の有意
義な追加的向上を生じることなく、過剰の再沸を
もたらす。供給空気大部分の膨脹によつて冷凍能
力が生みだされる場合には、同じ冷凍能力の発生
を実現するのに一層高い水準の圧力が必要とされ
る。供給空気小部分がブースタ圧縮を受ける場合
には、運転コストは流量と共に増大する。供給空
気小部分に対して指定された範囲は、効率におけ
る相殺的欠点を招くことなくこのサイクルの利益
を活用する。 コンピユータシミユレーシヨン試験 表は、第２図に例示した具体例に従つて実施
される本発明方法のコンピユータシユミレーシヨ
ンの結果を表覧したものである。流れ番号は第２
図の番号に対応する。酸素濃度に対して与られた
値はアルゴンを含む。
関するものであり、特には抜出し窒素を再循環す
る必要なく窒素を比較的高純度において且つ高い
回収率において製造することを可能とする改善に
関する。 発明の背景 比較的高純度における窒素は、ガラスやアルミ
ニウム製造のような産業においてまた重油や天然
ガスの回収率の向上を図つて、ガスシール、撹拌
或いは不活性化目的のような用途において次第に
利用度が増加しつつある。こうした用途は、大量
の窒素を消費し従つて高い回収率において且つ比
較的低コストにおいて比較的高純度の窒素を製造
することへの必要性が存在する。 従来技術 従来、窒素は空気分離により製造されてきた
が、こうした大量の窒素を比較的高純度で安価に
製造することへの専用の技術は確立されていな
い。 発明の目的 本発明の目的は、空気の極低温蒸留による分離
の為の改善された空気分離プロセスを提供するこ
とである。 本発明のまた別の目的は、比較的高い純度にお
いて且つ比較的高い収率において窒素を製造する
ことの出来る極低温空気分離の為の改善された空
気分離プロセスを提供することである。 本発明の更に別の目的は、比較高純度で且つ比
較的高い収率において窒素を製造することの出来
る、極低温空気分離用の改善された単塔式空気分
離方法を提供することである。 本発明の更に別の目的は、窒素再循環流れを使
用する必要性を回避しつつ極低温空気分離の為の
改善された単塔式空気分離プロセスを提供するこ
とである。 発明の概要 設備投資は、二塔式空気分離プロセスよりも単
一塔を使用することにより低く維持される。運転
コストはエネルギーの効率の良い操作により低減
される。空気分離プロセスにより必要とされる電
力の大部分は供給空気圧縮機により消費されるか
ら、供給空気の実用上なるだけ多くを生成物とし
て回収することが望ましい。更に、空気をその成
分に分離ししかもその後分離成分の一部を再循環
することから生ずる非効率性を回避することも望
ましい。こうした観点から、本発明は、供給空気
の極低温精留により比較的高い収率及び純度にお
いて窒素を製造する新規な方法を提供する。本方
法は、 (1) 2.4〜10.2Kg／cm2（絶対圧）の範囲の圧力に
おいて運転される精留塔内に供給空気の大部分
を導入し、ここで供給空気を窒素富化蒸気と酸
素富化液体とに分別する段階と、 (2) 供給空気の小部分を、前記酸素富化液体との
間接熱交換により、前記塔が運転される圧力よ
り高い圧力において凝縮する段階と、 (3) 供給空気の生成する凝縮小部分を、前記搭内
に、前記供給空気の大部分が塔内に導入される
地点より少なくとも１つのトレイ上方の地点に
おいて導入する段階と、 (4) 前記窒素富化蒸気の第１部分を酸素富化液体
との間接熱交換により凝縮する段階と、 (5) 生成する凝縮窒素富化部分の少くとも一部
を、前記供給空気小部分が塔内に導入される地
点より少くとも１つのトレイ上方の地点におい
て塔内に通す段階と、 (6) 窒素富化蒸気の残る第２部分の実質全体を生
成物窒素として回収する段階と を包含する。 用語の定義 「塔」とは、蒸留或いは分留カラム或いは帯
域、即ち液体相と蒸気相とを向流的に接触せしめ
て流体混合物の分離をもたらす接触カラム或いは
帯域を意味する。これは例えば、塔内に取付けら
れた一連の垂直に離間されたトレイ或いはプレー
トにおいて或いは塔を充填する充填要素において
蒸気及び液体相を接触することによりもたらされ
る。蒸留塔のこれ以上の説明は、マツクグロウ−
ヒルブツクカンパニー社刊「ケミカルエンジニア
ズハンドブツク」５編、13節、13−３頁を参照さ
れたい。 「２塔」という用語は、低圧塔と、その下端と
熱交換関係にある上端を具備する高圧塔とを意味
する。詳細には、オツクスフオードユニバーシテ
イプレス社刊（1949年）「ザセパレーシヨン オ
ブ ガス」章を参照されたい。 「蒸気及び液体接触分離プロセス」は成分に対
する蒸気圧の差に依存する分離プロセスである。
高蒸気圧（即ち高揮発性或いは低沸点の）成分は
蒸気相中に濃縮する傾向があり、他方低蒸気圧
（低揮発性或いは高沸点の）成分は液体相中に濃
縮する傾向がある。「蒸留」は、液体混合物を加
熱することにより蒸気相中に揮発性成分を濃縮し
そして低揮発性成分を液体相中に濃縮するのに使
用されるような分離方法である。 「部分凝縮」は、蒸気混合物の冷却が蒸気相に
おいて揮発性成分を濃縮しそしてそれにより液体
相中に低揮発性成分を濃縮するのに使用される分
離プロセスである。「精留」或いは「連続蒸留」
は、蒸気相及び液体相の向流処理によつて得られ
るような順次しての部分蒸発及び凝縮を組合せる
分離プロセスである。蒸気及び液体相の向流接触
は断熱的でありそして相間の連続的な或いは段階
的な接触を含みうる。混合物を分離するのに精留
の原理を使用する分離プロセス設備は、しばし
ば、精留、蒸留塔或いは分留塔と互換的に呼称さ
れる。「間接熱交換」とは、２つの流体流れを両
者相互の物理的接触或いは混合なく熱交換関係に
持ちきたすことを意味する。 「トレイ」とは、接触ステージを意味し、これ
は必ずしも平衡ステージ（段）ではなくそして１
トレイに等価の分離能力を有する充填要素のよう
な他の接触手段をも包括しうる。 「平衡ステージ」は、ステージを離れる蒸気及
び液体が物質移動平衡にあるような気液接触段、
例えば100％効率を有するトレイ或いは１理論段
数の相当高さ（HETP）に等価な充填要素を意
味する。 具体的説明 本発明方法を図面を参照した説明する。 第１図を参照すると、供給空気４０は、圧縮機
１において圧縮されそして圧縮された供給空気流
れ２は熱交換器３において単数乃至複数の流れ４
との間接熱交換により冷却される。流れ４は都合
良くは空気分離プロセスからの返送流れでありう
る。水や二酸化炭素のような不純物が逆転式熱交
換或いは吸着のような任意の従来方法により除去
されうる。 圧縮されそして冷却された供給空気５は大部分
（流れ）と小部分（流れ）７とに分割される。大
部分６は、供給空気総量の約55〜90％、好ましく
は供給空気の約60〜90％を構成しうる。小部分７
は、供給空気総量の約10〜45％、好ましくは約10
〜40％、もつとも好ましくは15〜35％を構成しう
る。 大部分６は、プロセスに対する冷凍能力を創出
する為ターボエキスパンダ８を通して膨脹され
る。膨脹流れ４１は約2.4〜10.2Kg／cm2（絶対圧、
以下同様）好ましくは約2.8〜７Kg／cm2の範囲の
圧力において運転される塔９内に導入される。こ
の圧力範囲下限より低いと、所定の熱交換が有効
に働かずそして圧力範囲上限を越えると、小部分
７が過剰圧力を必要とする。供給空気の大部分は
塔９内に導入される。塔９内で、供給空気は、極
低温分留によつて、窒素富化蒸気と酸素富化液体
とに分別される。 小部分７は、塔９の底部における凝縮器１０に
通され、ここで酸素富化液体との間接熱交換によ
り凝縮される。後者は蒸発して塔に対するストリ
ツピング蒸気を生成する。生成する凝縮小部分１
１は、弁１２を通して膨脹されそして塔９内に供
給空気大部分が塔内に導入された地点より少くと
も１トレイ上方の地点において流れ４２として導
入される。第１図において、トレイ１４は流れ４
１が塔９内に導入された地点上方にありそして流
れ４２はトレイ１４より上方で塔９内に導入され
るものとして示されている。塔９内に導入された
液化小部分は液体還流として働きそして極低温精
留によつて窒素富化蒸気と酸素富化液体とに分離
される。 前述したように、凝縮器１０を通して流れる供
給空気の小部分は塔９の運転圧力より高い圧力に
ある。これは、塔底において酸素富化液体を蒸発
せしめる為に必要とされる。何となれば、この液
体は供給空気よりも高い酸素濃度を有しているか
らである。一般に、小部分の圧力は、塔が運転さ
れる圧力より0.7〜6.3Kg／cm2、好ましくは1.05〜
4.2Kg／cm2高い。 従つて、凝縮器１０に流入する供給空気小部分
の圧力は塔９に流入する供給空気大部分の圧力を
越えることが理解される。第１図はこの圧力差を
実現するのに好ましい方法を例示し、ここでは供
給空気全体流れが圧縮されそして後小部分は塔９
への導入前にターボエキスパンダで膨脹されてプ
ラント冷凍能力を生みだしている。別法として
は、供給空気小部分のみが塔運転圧力を越える所
定圧力まで圧縮されうる。この場合、プラント冷
凍能力は戻り廃ガス或いは生成物流れの膨脹によ
り与えられる。また別の変更例において、プラン
ト冷凍能力の一部は供給空気大部の膨脹によりそ
して一部は戻り流れの膨脹により与えられる。 先に述べたように、塔９内の供給空気は、窒素
富化蒸気と酸素富化液に分別される。窒素富化蒸
気の第１部分１９は、凝縮器１８において、塔９
の底部から流れ１６として取出され、弁１７を通
して膨脹されそして凝縮器１８の沸騰側に導入さ
れる酸素富化液体との間接熱交換により凝縮され
る。この熱交換から生ずる酸素富化蒸気は流れ２
３として取出される。この流れは、プラント冷凍
能力を発生せしめる為膨脹されてもよいし、全体
的に或いは部分的に回収されてもよいし或いは大
気に単に放出してもよい。この頭上熱交換器から
生成する凝縮第１窒素富化部分２０は、少くとも
部分的に、塔９に、供給空気小部分が塔９に導入
される地点より少くとも１トレイ上方の地点にお
いて液体環流として通される。第１図において、
トレイ１５は流れ４２が塔９内に導入される地点
より上方にありそして流れ２０はトレイ１５上方
で塔９内に導入されるものとして示されている。
所望なら、流れ２０の一部２１は高純度液体窒素
として取出され回収しうる。これが使用される場
合、部分２１は流れ２０の約１〜10％である。 窒素富化蒸気の残る第２部分２２は、一部を塔
に戻して再循環することなく塔から取出されそし
て生成物窒素として回収される。生成物窒素は少
くとも98モル％の純度を有しそして99.9999モル
％までの純度即ち1ppm以下酸素汚染物を有する
ものと為しうる。生成物窒素は高収率で回収され
る。一般に、生成物窒素即ち流れ２２と使用され
るなら流れ２１において回収される窒素は供給空
気として塔９に導入された窒素の少くとも50％、
代表的には供給空気窒素量の少くとも60％を占め
る。窒素収率は約82％までの範囲をとりうる。 第２図は、本発明方法の好ましい具体例を使用
する総合的空気分離プラントを例示する。対応す
る要素に対しては、第２図の参照番号は第１図の
ものと同じとしてある。第２図を参照すると、圧
縮された供給空気２は流出流れと熱交換関係で逆
転式熱交換器３を通ることにより冷却される。供
給流れの中の、二酸化炭素や水のような高沸騰不
純物は熱交換器３の通路に付着される。当業者に
知られているように、逆転式熱交換においては供
給空気が通る通路は、付着不純物が熱交換器から
流し出して掃除されうるように流出流れ２５の通
路と交互方式とされている。冷却され、浄化され
た圧縮空気流れ５は、大部分（流れ）６と小部分
（流れ）７とに分割される。小部分７のすべて或
いはほとんどは凝縮器１０に流れ２６として通さ
れる。小部分７のごく一部（第３部分）２７は、
後述するように熱バランスを満す為に凝縮器１０
をバイパスされる。第１図を参照して先に述べた
ように、供給空気小部分２６は塔底液を蒸発する
ことによつて凝縮器１０内で凝縮し、この液化し
た空気１１は、塔運転圧力まで弁１２を通して膨
脹しそして塔９内に４２として導入される。 供給空気の大部分６は膨脹タービン８に送られ
る。大部分６の分岐流れ２８は当業者に周知の態
様で熱交換器３の熱バランスと温度分布の管理の
為熱交換器３を部分的に通る。分岐流れ２８は流
れ６と再合流しそして膨脹器８通過後、供給空気
大部分は塔９に導入される。 塔９の底に貯まる酸素富化液体は流れ１６とし
て抜出され、熱交換器３０において流出流れによ
り冷却され、弁１７を通して膨脹されそして凝縮
器１８の沸騰側に導入され、ここで流れ１９とし
て凝縮器１８に導入された窒素富化蒸気との熱交
換により蒸発する。生成する酸素富化蒸気は流れ
２３として抜出され、熱交換器３０及び３を通つ
て、流れ４３として流出する。窒素富化蒸気は流
れ２２として塔９から抜出され、熱交換器３０及
び３を通つて、生成物窒素として流れ４４におい
て回収される。頭上熱交換器から生ずる凝縮窒素
２０は環流として塔９に入る。この液体窒素の一
部２１も回収しうる。 供給空気小部分７の一部（第３部分）１７は熱
交換器３０においてサブ冷却されそしてこの熱交
換器はこの少量流れを凝縮するよう機能する。生
成する液化空気４５は空気流れ１１に付加されそ
して塔９に導入される。この少量の液化空気流れ
の目的は、塔周辺でのまた逆転式熱交換器におけ
る熱バランスを満足させることである。この付加
的な冷凍流れは、相当量の液体窒素生成物の製造
が所望されるなら、塔に付加されることを必要と
される。加えて、空気流れ２７は熱交換器３にお
いて液体空気が形成されないよう熱交換器３０に
おける返送流れを加温するのに使用される。流れ
２７は一般に塔への総供給空気の10％以下であ
り、当業者なら周知の熱バランス技術を使用する
ことにより流れ２７の量を容易に決定することが
出来る。 本発明方法が、窒素の回収率の増加を実現でき
る態用は、第３及び４図を参照して実証しうる。
第３及び４図は、従来型式の単塔式空気分離プロ
セス及び本発明プロセスそれぞれに対してのマツ
ケーブ・シーレ図である。マツケーブ・シーレ図
は当業界ではよく知られておりそして詳細は「ユ
ニツト オペレーシヨン オブ ケミカル エン
ジニアリング」−マツクグローヒルブツク社刊−
12章、689〜708頁（1956）を参照されたい。 第３及び４図において、横軸は液体相中の窒素
のモル分率を表しそして縦軸は気相中の窒素のモ
ル分率を表す。直線Ａはｘ＝ｙを表す対角線であ
る。曲線Ｂは与えられた圧力における酸素及び窒
素に対する平衡曲線である。当業者には良く知ら
れるように、所定の分離を実現する為の最小設備
コスト、即ち最小理論段数は、塔内の各点での液
体対蒸気の比率である操作線を直線Ａと一致させ
ることにより、即ち全環流を採用することにより
表される。もちろん、全環流においては生成物は
生産されない。最小可能運転コストは、直線Ａ上
の最終生成物純度の点及び供給条件と平衡曲線と
の交点を含む線により制限される。従来の塔に対
して最小環流に対する操作線が第３図の曲線Ｃに
より与えられる。最小環流での運転は最大量の生
成物を産出する即ち最大回収率を与えるが、無限
の理論段数を必要とする。実際の装置は、上記両
極端条件の間で運転されている。 本発明の方法において高い窒素回収率が実現し
うることは、第４図に示される。第４図を参照す
ると、操作線の区画Ｄは供給空気大部分及び小部
分導入点間での塔部分を表しそして区画Ｅは供給
空気小部分導入点より上方での塔部分を表す。区
画Ｅの傾斜の小さいことは塔の最頂部での液体環
流が少くてすみ、従つて一層多くの窒素が生成物
として取出されうることを示す。79％の窒素濃度
における液体として塔内への供給空気小部分の導
入は、平衡線に対して一層良好な形を与え、区画
Ｅの傾斜が一層小さくなることを可能とする。第
４図において、第３図より操作線が平衡線に一層
接近している。 既に示したように、供給空気小部分の流量は総
空気供給量の10〜45％、好ましくは10〜40％であ
る。供給空気小部分の流量は酸素廃棄量の増加、
従つて窒素回収率の増加という利益を実現する為
には指定された最小流量に少くとも等しくしなけ
ればならない。指定最大値を越えての供給空気小
部分流量は圧縮コストを増大しそして分離の有意
義な追加的向上を生じることなく、過剰の再沸を
もたらす。供給空気大部分の膨脹によつて冷凍能
力が生みだされる場合には、同じ冷凍能力の発生
を実現するのに一層高い水準の圧力が必要とされ
る。供給空気小部分がブースタ圧縮を受ける場合
には、運転コストは流量と共に増大する。供給空
気小部分に対して指定された範囲は、効率におけ
る相殺的欠点を招くことなくこのサイクルの利益
を活用する。 コンピユータシミユレーシヨン試験 表は、第２図に例示した具体例に従つて実施
される本発明方法のコンピユータシユミレーシヨ
ンの結果を表覧したものである。流れ番号は第２
図の番号に対応する。酸素濃度に対して与られた
値はアルゴンを含む。
【表】
分留塔への供給流れのここで定義した態様での
導入を特色とする本発明方法の使用により、分留
塔の所要環流を欠乏することなく高回収率におい
て比較的高純度の窒素を生成でき、抜出し窒素を
再循環する必要性を回避することができる。 以上具体例に基いて説明したが、本発明の精神
内で多くの改変をなしうることを銘記されたい。
導入を特色とする本発明方法の使用により、分留
塔の所要環流を欠乏することなく高回収率におい
て比較的高純度の窒素を生成でき、抜出し窒素を
再循環する必要性を回避することができる。 以上具体例に基いて説明したが、本発明の精神
内で多くの改変をなしうることを銘記されたい。
第１図は、本発明方法の好ましい具体例の必須
要素を示す簡略空気分離プロセスの概略図であ
る。第２図は、上記具体例を使用する空気分離プ
ロセスの概略図である。第３図は、従来型式の単
塔式空気分離プロセスに対するマツケーブ・シー
レ図である。第４図は、本発明プロセスに対する
マツケーブ・シーレ図である。 ４０：供給空気、１：圧縮機、２：圧縮供給空
気、３：熱交換器、６：供給空気大部分、７：供
給空気小部分、８：ターボエキスパンダ、９：
塔、１０：凝縮器、１１：凝縮小部分、１２：
弁、１６：酸素富化液、１８：凝縮器、１９：窒
素富化蒸気第１部分、２２：窒素富化蒸気第２部
分、２３：酸素富化蒸気、２７：供給空気３部
分。
要素を示す簡略空気分離プロセスの概略図であ
る。第２図は、上記具体例を使用する空気分離プ
ロセスの概略図である。第３図は、従来型式の単
塔式空気分離プロセスに対するマツケーブ・シー
レ図である。第４図は、本発明プロセスに対する
マツケーブ・シーレ図である。 ４０：供給空気、１：圧縮機、２：圧縮供給空
気、３：熱交換器、６：供給空気大部分、７：供
給空気小部分、８：ターボエキスパンダ、９：
塔、１０：凝縮器、１１：凝縮小部分、１２：
弁、１６：酸素富化液、１８：凝縮器、１９：窒
素富化蒸気第１部分、２２：窒素富化蒸気第２部
分、２３：酸素富化蒸気、２７：供給空気３部
分。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 供給空気の極低温精留により比較的高い収率
及び純度において窒素を製造する方法であつて、 (1) 2.4〜10.2Kg／cm2（絶対圧）の範囲の圧力に
おいて運転される精留塔内に供給空気の大部分
を導入し、ここで供給空気を窒素富化蒸気と酸
素富化液体とに分別する段階と、 (2) 供給空気の小部分を、前記酸素富化液体との
間接熱交換により、前記塔運転圧力より高い圧
力において凝縮する段階と、 (3) 供給空気の生成する凝縮小部分を、前記搭内
に、前記供給空気の大部分が搭内に導入される
地点より少なくとも１つのトレイ上方の地点に
おいて導入する段階と、 (4) 前記窒素富化蒸気の第１部分を前記酸素富化
液体との間接熱交換により凝縮する段階と、 (5) 生成する凝縮窒素富化部分の少くとも一部
を、前記供給空気小部分が塔内に導入される地
点より少くとも１つのトレイ上方の地点におい
て塔内に通す段階と、 (6) 窒素富化蒸気の残る第２部分の実質全体を生
成物窒素として回収する段階と を包含する窒素製造方法。 ２ 大部分が供給空気の約55〜90％を構成しそし
て小部分が供給空気の約10〜45％を構成する特許
請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 大部分が供給空気の約60〜90％を構成しそし
て小部分が供給空気の約10〜40％を構成する特許
請求の範囲第１項記載の方法。 ４ 供給空気の小部分が、段階(2)の凝縮中精留塔
運転圧力より0.7〜6.3Kg／cm2高い圧力にある特許
請求の範囲第１項記載の方法。 ５ 凝縮窒素富化第１部分のすべてが塔に通され
る特許請求の範囲第１項記載の方法。 ６ 凝縮窒素富化第１部分の一部を生成物液体窒
素として回収する特許請求の範囲第１項記載の方
法。 供給空気全量が塔運転圧力より高い圧力にまで
圧縮されそして供給空気の大部分が塔への導入前
に塔運転圧力まで膨脹される特許請求の範囲１第
項記載の方法。 ８ 供給空気の膨脹がプロセスの冷凍能力を創出
する特許請求の範囲第７項記載の方法。 ９ 供給空気の小部分のみが塔の運転圧力より高
い圧力に圧縮される特許請求の範囲第１項記載の
方法。 １０ 供給空気の第３部分が少なくとも１つの返
送流れとの間接熱交換により凝縮されそして生成
する凝縮第３部分が供給空気の大部分が塔に導入
された地点より少くとも１トレイ上方の供給地点
において塔内に導入される特許請求の範囲第１項
記載の方法。 １１ 凝縮第３部分が凝縮小部分と合流されそし
て合流した流れが塔に導入される特許請求の範囲
第１０項記載の方法。 １２ 生成物窒素が少なくとも98モル％の純度を
有する特許請求の範囲第１項記載の方法。 １３ 生成物窒素が供給空気に伴つて塔内に導入
された窒素の少なくとも50％である特許請求の範
囲第１項記載の方法。
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