JPH04227462A

JPH04227462A - 空気の極低温分離法

Info

Publication number: JPH04227462A
Application number: JP21587391A
Authority: JP
Inventors: Rakesh Agrawal; ラケシュ．アグラワル
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1990-08-06
Filing date: 1991-08-01
Publication date: 1992-08-17
Anticipated expiration: 2012-09-24
Also published as: CA2048146A1; CA2048146C; JP2656403B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、空気分離と、高窒素
回収を伴う超高純度窒素回収の極低温法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】極低温蒸留により空気を分離してその構
成成分にする数多い方法が周知である。典型的例として
、空気分離法では、汚染物質たとえば２酸化炭素と水を
圧縮空気流れから除去してからその露点の近くまでの冷
却が必要である。その後、冷却した空気を、高圧塔、低
圧塔およびアルゴン分離のサイドアーム塔が備わる連続
多塔式蒸留装置で極低温蒸留する。アルゴン分離の前記
サイドアーム塔は、典型的例として前記低圧塔と連絡し
、そこで、約８乃至１２％アルゴンを含むアルゴン・酸
素流れを除去して、前記サイドアーム塔で極低温蒸留を
行う。

【０００３】軽質汚染物たとえば、水素、ヘリウムおよ
びネオンをわずかしか含んでいない高純度窒素の生産法
が提案された。供給空気中のこれらの汚染物のいくつか
の濃度は２０ｐｐｍという高いものになることがある。これらの軽質成分のほとんど全部が、空気分離装置（Ａ
ＳＵ）からの最終窒素生成物中にあらわれる。いくつか
の事例、たとえば電子工業において、この汚染度は、こ
の窒素製品の最終用途では受け入れられない。

【０００４】下記の特許は、上記の問題の取り組み方を
開示する。すなわち：米国特許第４，８２４，４５３号
は、高純度窒素と同様、超高純度酸素の製法を開示し、
そこでは、窒素の純度が９９．９９８％以上、そして不
純物の量がおおむね１０ｐｐｍ以下である。詳述すれば
、空気を精留装置で圧縮、冷却および蒸留する。前記蒸
留装置の第１段階精留では、高酸素留分を下部から除去
し、高窒素液体留分を前記第１段階精留の上部から除去
、過冷して、還流として第２段階精留の上部に戻す。高窒素液体を、前記第２段階精留からの窒素蒸気の塔頂
除去位置のすぐ下の位置で前記第２段階の上部から除去
する。前記第１段階の下部から液体酸素を過冷、膨脹さ
せて高純度アルゴン塔の上部にあるボイラー・復水器の
駆動に用いる。第１段階の上部からの窒素蒸気は、高純
度酸素塔の下部にあるリボイラー・凝縮器の駆動に使用
される。生成物純度の増大には、前記高圧塔の上部から
の気体窒素流れの１部をパージとして除去する。

【０００５】米国特許第４，９０２，３２１号は、多塔
装置における超高純度窒素の製法を開示する。空気を圧
縮、冷却して高圧塔に装入し、それをそこで空気固有の
成分に分離して、下部で酸素液体を、上部で高窒素蒸気
を発生させる。前記酸素液体を膨脹させて、高圧塔の上
部に熱学的に連結して、前記高窒素蒸気を凝縮するボイ
ラー・凝縮器の駆動に使用する。前記高窒素蒸気の１部
を高圧塔の上部から除去して、熱交換器の管側で凝縮す
る。結果としてできる液体窒素を膨脹させて、ストリッ
プ塔の上部に装入し、そこで不純物を含む窒素を前記ス
トリップ塔からフラッシュする。フラッシュで除去でき
ない僅かの不純物も、実質的に純粋の窒素の流れを前記
塔の上方方向に通過させてストリップする。前記ストリ
ップ塔の下部で収集された窒素液体を前記熱交換器のシ
ェル側にポンピングし、高窒素蒸気に接して蒸発させて
、高純度生成物として除去する。

【０００６】ヨーロッパ特許第００３７６４６５号は、
超高純度窒素生成物を生成する空気分離法を開示する。その方法では、普通の空気分離法からの窒素生成物を還
流凝縮器が備わる塔の下部に装入する。液体窒素を前記
塔の上部から抜取ってフラッシュして液体と蒸気を発生
させる。フラッシュの後、得られた液体をそこで２回目
のフラッシュを行って、結果としてできた液体を回収す
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】超高純度窒素生成で説
明の諸工程に関連する問題が本質的に２つあるが、これ
らの問題は、前記´４５３号米国特許開示における純度
が、工業規格を満たすには極めてしばしば十分でなく、
また前記´３２１号米国特許の方法における窒素の回収
率が極めて低いという事実に関する。

【０００８】本発明の目的は、製品として超高純度窒素
を高窒素回収率を伴って生産させる空気分離の方法を提
供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明では、窒素、酸素
および揮発性凝縮可能の不純物から成る空気を、高圧塔
と低圧塔が備わる連続多塔式蒸留装置で分離する基本的
極低温法において、空気流れの圧縮、凝縮可能の不純物
の除去および冷却を行い、前記連続多塔式蒸留装置に供
給材料を発生させる。超高純度窒素を高窒素回収率で生
産するこの基本的方法における改良は、下記の諸工程、
すなわち：ａ）液体窒素留分と、揮発性不純物を含む高窒素蒸気留
分を前記高圧塔の上部の近くで発生させることと、ｂ）前記液体窒素留分の１部を前記高圧塔から除去する
ことと、ｃ）前記液体窒素留分を膨脹させて、前記膨脹した留分
を前記低圧塔の上部に供給材料として導入することと、
ｄ）残留揮発性不純物を含む高窒素蒸気留分を前記低圧
塔の上部に発生させて、この留分をオーバーヘッドとし
て除去することと、ｅ）前記工程（ａ）または（ｄ）もしくはその両工程で
発生した前記高窒素蒸気留分の少くとも１つを部分的に
凝縮することと、ｆ）揮発性不純物に濃縮された前記未凝縮高窒素蒸気留
分の少くとも１つの１部を、パージ流れとして前記ボイ
ラー・凝縮器から除去することと、ｇ）前記凝縮高窒素蒸気留分の少くとも１つの少くとも
１部分を還流として塔に戻すこと、およびｈ）超高純度
窒素留分を製品として前記低圧塔から、揮発性不純物を
含む高窒素蒸気の除去位置の下、かつ、また液体窒素留
分を還流として前記低圧塔に戻す位置の下の位置で発生
させて除去する、諸工程から成るものである。

【００１０】アルゴン回収が含まれる別の実施例では、
空気流れの圧縮と、凝縮性不純物の除去と、そして冷却
による冷却空気流の形成を行う。その後、この空気流れ
を、高圧塔、低圧塔および酸素からのアルゴン分離用サ
イドアームが備わる連続多塔式蒸留装置で極低温蒸留す
る。超高純度窒素製品の生産に必要な改良は下記の諸工
程、すなわち：ａ）前記冷却空気流れの実質的全量を前記高圧塔に供給
することと、ｂ）液体窒素留分と、揮発性不純物を含む高窒素蒸気を
前記高圧塔の上部近くで発生させることと、ｃ）前記液
体窒素留分の１部を前記高圧塔から、揮発性不純物を含
む高窒素蒸気留分の除去に決められた除去位置の下の位
置で除去することと、ｄ）前記液体窒素留分を膨脹させて、前記膨脹留分を前
記低圧塔の上部に供給材料として導入することと、ｅ）
残留揮発性不純物留分を含む高窒素蒸気留分を低圧塔の
上部で発生させて、その留分をオーバーヘッドとして除
去することと、ｆ）上記工程（ｂ）または（ｅ）で発生させた前記高窒
素蒸気留分の少くとも１つをボイラー・凝縮器で部分凝
縮して、前記凝縮高窒素蒸気留分の少くとも１つの少く
とも１部を還流として塔に戻すことと、ｇ）前記工程（
ｆ）で発生して揮発性不純物に濃縮された未凝縮高窒素
蒸気留分の少くとも１の１部を前記ボイラー・凝縮器か
らパージ流れとして除去することと、ｈ）アルゴン流れ
を前記低圧塔から除去して、このアルゴン流れを前記サ
イドアーム塔で精留のうえ、高アルゴン生成物をオーバ
ーヘッドとして回収すること、および、ｉ）超高純度窒素留分を生成物として前記低圧塔から、
残留揮発性不純物を含む高窒素蒸気の除去位置の下、か
つ前記液体窒素留分を還流として前記低圧塔に戻す位置
の下の位置で発生させ、また除去すること、の諸工程か
ら成るものである。

【００１１】超高純度窒素を高回収率で手入れする利点
は、揮発性不純物から濃縮してパージ流れにすることと
、これらのパージ流れの量を工程の重要位置で最小化す
ることで達成できるということである。

【００１２】

【作用】本発明と、５ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐ
ｐｍ以下の揮発性不純物含量の超高純度窒素生成物を発
生させる概念の理解を容易にするため、図１を参照する
。詳述すれば、酸素、窒素、アルゴン、揮発性不純物た
とえば水素、ネオン、ヘリウムその他同種類のもの、お
よび凝縮可能不純物たとえば２酸化炭素と水、から成る
空気流れを連続多段式圧縮装置に入れて、約８０乃至３
００ｐｓｉａ、典型的例として９０乃至１８０ｐｓｉａ
の圧力範囲内で圧縮することで空気流れから初期調製す
る。揮発性不純物の沸点は窒素よりもずっと低い。この
圧縮空気流れを冷却水でさまし、冷媒に接して冷やした
後、分子篩層に通してそれを凝縮水と２酸化炭素不純物
から除去する。

【００１３】前記連続多塔式蒸留装置は、高圧塔２０２
、低圧塔２０４、および随意に、アルゴン分離用にサイ
ドアーム２０６から成る。高圧塔２０２は、供給空気流
れ１０の圧力に接近した圧力、たとえば８０乃至３００
ｐｓｉａで運転され、空気を前記塔中で蒸気と液体を均
質接触させることで、その成分に分離する。高圧塔２０
２には蒸留トレーまたは充填物が備わり、どちらの媒材
も液・蒸気接触の遂行に適している。揮発性不純物が含
まれた高圧窒素凝気流れを、高圧塔２０２の上部で発生
させ、また粗液体酸素流れを高圧塔２０２の下部で発生
させる。

【００１４】低圧塔２０４は、典型的例として、約１５
乃至８０ｐｓｉａの圧力、好ましくは約１８乃至２５ｐ
ｓｉａの圧力範囲で運転して、超高純度窒素生成物を生
成する。前記低圧塔は、高純度窒素、たとえば塔の上部
においての純度が容量比で９９．９９８％、好ましくは
９９．９９９％以上を付与しながらアルゴンの損失を最
小限に止め、高純度酸素流れを発生させることを目的と
する。低圧力塔２０４には、蒸留トレーまたは充填物か
ら成る気液接触媒体が備わる。

【００１５】アルゴンサイドアーム塔２０６は、前記低
圧塔２０４と連絡していて、アルゴン流れをオーバーヘ
ッドとして、また酸素流れを残液として発生させる。塔
は、典型的例として、低圧塔圧力に近い圧力、たとえば
１５乃至８０ｐｓｉａ、好ましくは約１８乃至２５ｐｓ
ｉａの圧力範囲内の圧力で運転する。

【００１６】図１の工程において、凝縮可能不純物のな
い流れ１０を、前記連続多塔式蒸留装置と運動する高圧
塔２０２に流れ１２を経由して供給する材料を形成する
主熱交換器装置２００に入れてその露点近くまで冷却す
る。揮発性不純物を含む高圧高窒素蒸気をオーバーヘッ
ドとして、また液体酸素留分を残液留分として発生させ
る。１つの実施例において、高圧塔２０２で発生させた
高圧窒素蒸気の少くとも１部分を管路１４を経由して抜
き取り、その実質的全量を、前記低圧塔２０４の下部の
ボイラー・凝縮器２０８で凝縮する。不純物を含む高窒
素蒸気の凝縮はボイルアップ（ｂｏｉｌ−ｕｐ）　を付
与し、一方凝縮は、揮発性不純物の濃度を凝縮液相に還
元させ、また不純物を蒸気相に濃縮させる。凝縮窒素を
ボイラー・凝縮器２０８から抜き取り、その１部を還流
として管路１６を経由して高圧塔２０２に案内する。凝
縮留分を好ましければ他の塔に還流として導入しても差
支えない。前記高圧窒素の未凝縮分を管路１８を経由してパージと
して除去する。しかし、前記留分を最初の塔２０２に戻
し、揮発性汚染物を別の位置で除去することも可能であ
る。また別の実施例では、パージを行うことなく、実質
的に窒素蒸気留分の全部をボイラー・凝縮器で凝縮し、
凝縮留分をその後第１、すなわち高圧塔２０２に戻すこ
とになる。

【００１７】液体窒素留分を、高圧塔２０２内にある管
路１４を経由して、前記窒素除去位置、典型的例として
、約３乃至５トレー下の位置で収集する。その液体窒素
留分を管路２０を経由して除去、典型的例として等エン
タルピー膨脹させ、揮発性不純物を分離器２１０でそれ
からフラッシュする。前記分離器２１０からの液相を管
路２２を経由して低圧塔２０４の上部に還流として導入
する。任意液体留分を前記高圧塔２０２の中間部から下
部へ管路２４を経由して除去、膨脹のうえ低圧塔２０４
の中間部に還流として装入する。別の蒸気留分を管路２
６を経由して除去し、２留分に分離する。一方の留分を
管路２８を経由して除去、主熱交換器装置２００で熱入
れして、高圧気体窒素（ＨＰＧＡＮ）として回収し、他
方の留分を管路３０を経由して窒素再循環液化装置２１
２に送り液化する。

【００１８】超高純度窒素と高純度酸素を生成するとこ
ろが低圧塔２０４である。残留揮発性不純物を含む高窒
素流れを、高圧塔で除去されない場合、発生させて低圧
塔２０２の上部もしくは最上部から管路３２を経由して
除去するが、そこでは熱交換器装置２００の他のプロセ
ス流体に接して熱入れし、低圧気体窒素（ＬＰＧＡＮ）
として回収する。前記熱入れ蒸気流れを熱交換器装置２
００から除去する。窒素蒸気流れ３２中の残留揮発性不
純物の濃度を、高圧塔２０４の上部から管路１８を経由
して除去された窒素パージ流れで一次的に調節する。工
程中の窒素回収を前記パージ流れ１８の量で調節する。超高純度窒素生成物を低圧塔２０４の上部近くで液体留
分として発生させ管路３４を経由して除去する。典型的
例として、この除去位置は、窒素蒸気の管路３２経由す
る除去位置の数トレー下、たとえば２乃至５トレー下の
位置である。またそれは分離器２１０からの高純度窒素
還流の導入位置の下、かつ低圧塔２０４の中間部の近く
から上部の管路３６を経する廃窒素蒸気除去位置の上で
ある。高純度酸素流れを液体として、低圧塔２０４から
管路３７を経由して除去し、また高純度酸素流れを蒸気
として管路３９経由で除去し、主熱交換器装置２００に
入れて熱入れして、気体酸素（ＧＯＸ）として回収する
。

【００１９】約８乃至１２％アルゴンの濃度を有するア
ルゴン含有蒸気流れを、低圧塔２０４の中間位置から管
路３８を経由して除去し、サイドアーム塔２０６装入し
て分離する。アルゴンをサイドアーム塔２０６にある酸
素から分離し、また高酸素残液留分を塔２０６の下部か
ら抜き取り、管路４０を経由して低圧塔２０４に戻す。高圧塔２０２と低圧塔２０４の様な、サイドアーム塔２
０６には、気液接触媒体、たとえばトレーもしくは充填
物が備わる。高アルゴン蒸気流れをサイドアーム塔２０
６から管路４２を経由して除去するが、そこにおいて、
それを前記塔２０６の上部にあるボイラー・凝縮器２１
４で凝縮する。前記凝縮アルゴン流れをアルゴン塔に還
流として戻し、また前記流れの残量を管路４４を経由し
て除去、粗液体アルゴン流れ（粗ＬＡＲ）として回収す
る。アルゴンサイドアーム塔２０６にあるボイラー・凝
縮器を、高圧塔２０２の下部から管路４６を経由して液
体酸素を除去し、その液体を膨脹させ、その液体の留分
をボイラー・凝縮器２１４で部分蒸発させることで冷却
する。未蒸発留分の１部を還流として管路４８を経由し
て低圧塔２０４に装入して、前蒸発部分をボイラー・凝
縮器２１４から除去、管路５０を経由して供給材料とし
て低圧塔に装入する。

【００２０】低圧塔の高純度窒素還流を、高圧塔から得
られた液体窒素留分を説明の通り膨脹させ、また補足窒
素を窒素再循環液化装置２１２から必要とされれば、入
手して得られる。窒素再循環液化装置２１２から窒素を
管路５２で運搬し、分離器２１０で膨脹、フラッシュさ
せる。分離器２１０からのオーバーヘッドには、若干の
揮発性汚染物が含まれ、管路５４を経由して廃液として
装置から除去する。任意に、それを低圧塔からの廃液流
れ３６と結合させる。

【００２１】図２は、超高純度気体窒素生成物を低圧塔
に発生させる図１の方法の変形の別の実施例を示す略図
である。図１に、類似の番号づけシステムを共通の装置
と流れに用いた。塔の分割に関する説明は、この方法と
図１の説明の方法の間に有意の相違がある場合に限られ
る。

【００２２】図１の方法と図２のそれとの１つの相異点
は、図２にあるもので、軽質物の有意の濃度をもつ窒素
液化装置２１２からの液体窒素を管路５２を経由して、
分離器２１０には送らないで高圧塔に送る。好ましくは
、この液体の供給場所をその供給場所のトレーの上で前
記軽質物の濃度を合わせるように選択する。典型的例と
して、液体窒素流れ２０の抜き取りトレーの上の少くと
も１トレーに供給される。これは、パージ流れ１８を通
してボイラー・凝縮器２０８から軽質物を廃棄させる率
を高め、分離器２１２の液体窒素供給物にはもつと低い
濃度の軽質物が含まれる。これは、分離器２１０を出て
低圧塔２０４に送られる液体流れ２２中の軽質汚染物の
濃度を低下させる。図２の系統図と図１のそれとの別の
相異点は、残留軽質物または不純物の多い蒸気流れを管
路３２を経由してパージとして除去し、高純度、低圧超
高純度気体窒素留分を生成させる。それには、汚染物が
含まれ、液体流れ３４中の汚染物濃度の調節を助ける。低圧超高純度窒素生成物のほとんど全部を管路３５を通
して回収する。図示されていないが、分離器２１０から
の蒸気流れ５４のガス抜きは必要でない。それを低圧塔
２０４の上部からの気体窒素流れ３２と混合し、窒素再
循環液化装置２１２に送ることができる。

【００２３】低圧塔の上部からの気体窒素中の汚染物の
大部分（図１の流れ３２と図２の３５）は、粗液体酸素
流れ４６から到来する。高圧塔の下部にあるこの粗液体
酸素流れは、前記到来供給材料空気と接触し、従って軽
質汚染物の有意の濃縮を吸収する。前記粗液体酸素中の
不純物の量を減らしてから低圧塔２０４に還流として導
入するための別の方法として、高圧塔の下部からの前記
粗液体酸素流れを膨脹させてからそれを低圧塔または、
粗アルゴン塔の上部にあるボイラー・凝縮器に供給する
。前記膨脹部分をその後、分離器２１１に送り、この分
離器の上部からのフラッシュ蒸気をパージ流れ５１とし
てとっておく。この液体の留分を前記ボイラー・凝縮器
２１４の気化器側に戻し、別の部分を低圧器に送る。

【００２４】図３は、すべての気体生成物生産の系統図
を示し、窒素生成物の１部が高圧で、また極めて高純度
で生産される。これは、低圧塔から液体窒素流れ３４の
１部をとり、それをポンピングして高圧にすることで達
成される。前記高圧液体窒素流れ５５をその後、補助ボ
イラー・凝縮器２１６に送り、そこで、高圧塔２０２の
上部から管路５７を経由して抜き取られた揮発性不純物
を含む高圧窒素流れに接して沸騰させる。凝縮液体窒素
流れ５９を高圧塔に還流として戻す一方、沸騰流れ６１
を主熱交換器装置２００で熱入れして高純度気体窒素流
れを高圧で提供する。揮発性不純物の多い未凝縮流れの
１部を管路６３を経由して除去して廃棄物として排出す
る。冷却付与にターボ膨脹器４５を用いる。

【００２５】図４は、超高純度気体窒素生産の工程機構
を示す。この方法において、管路３４経由で除去された
低圧塔２０４からの液体窒素の１部を等エンタルピー膨
脹させる。この流れを管路６５を経由して、低圧塔２０
４の上部にあるボイラー・凝縮器２１８に運び、高窒素
留分の凝縮に用いる。パージ流れ６７をこの部分からと
る。高濃度の軽質汚染物が含まれるパージ流れ１８と６
７の双方を廃棄物流れ３９と結合させてからターボ膨脹
器４５で膨脹させる。

【００２６】図５を参照して、供給材料流れを、酸素、
窒素、アルゴン、揮発性不純物たとえば水素、ネオンそ
の他同種類のもの、および凝縮可能の不純物たとえば２
酸化炭素と水から成る空気流れを多段式圧縮装置で約８
０乃至３００ｐｓｉａの圧力範囲に圧縮することで空気
流れから初めに調製する。この圧縮空気流れを冷却水で
冷却し、冷媒にあてて冷やし、それを分子篩層に通して
凝縮性水と２酸化炭素不純物を除去して流れ５１０とす
る。

【００２７】本工程においては、凝縮可能不純物のない
空気流れ５１０を主熱交換器装置５００に入れてその露
点近くまで冷却する。前記空気流れは、そこで連続多塔
式蒸留装置に連動する高圧塔５０２に管路５１２を経由
して送る供給材料を形成する。揮発性不純物が含まれる
高窒素蒸気をオーバーヘッドとして、また粗液体酸素留
分を残液分として発生させる。高圧塔５０２で発生した
窒素蒸気の少くとも１部を管路５１４を経由して抜き取
り、低圧塔５０４の下部のボイラー・凝縮器５０８で部
分凝縮する。不純物を含む高窒素蒸気の凝縮は、低圧塔
においてボイルアップを付与する。不純物がわずかな量
の凝縮窒素を、ボイラー・凝縮器５０８から抜き取って
、少くともその１部を高圧塔５０２の上部に還流として
管路５１６を経由して案内する。揮発性不純物に濃縮さ
れた未凝縮部分をパージとして管路５１８経由してとる
。高窒素液体を高圧塔５０２の上部から管路５３０経由
抜き取って、膨脹させて、低圧塔５０４の上部に送る。

【００２８】超高純度窒素が生産されるのは低圧塔５０
４である。図５の実施例においては、揮発性不純物の多
い窒素流れを低圧塔５０４の上部または最上部で発生さ
せる。最初の塔５０２で除去された不純物の量によるが
、揮発性不純物は、低圧塔５０４の最上部に出てくる。揮発性不純物を含む高窒素留分をオーバーヘッドとして
管路５２０を経由して除去し、ボイラー・凝縮器５１４
で部分的に凝縮する。揮発性不純物の多い未凝縮気体を
パージ流れとして管路５２２を経由除去しながら前記凝
縮部分を低圧塔に管路５２４を経由して戻す。超高純度
窒素生成物たとえば５ｐｐｍ、好ましくは０．１以下の
残留汚染物を含む生成物を、塔５０４にある揮発性不純
物の除去位置の下の位置の管路５４０を経由して除去す
る。

【００２９】この方法で超高純度窒素生成物生産に必要
な冷却の達成のため、粗液体酸素を高圧塔５０２から残
液留分として管路５４２経由除去、膨脹させてその後、
低圧塔５０４の上部にあるボイラー・凝縮器５１４の気
化装置部に装入する。気化酸素を管路５４４を経由して
オーバーヘッドとして除去する。前記オーバーヘッドの
若干量を管路５４８経由でダーボ膨脹器５４６に迂回さ
せ、残量を主熱交換器装置５００で熱入れし、その後、
ターボ膨脹器５４６に迂回させる。ターボ膨脹器５４６
からの排出物を熱交換器５００のプロセス流体に接して
熱入れし、その後、廃棄物として排出する。任意に、タ
ーボ膨脹器５４６への供給材料のごく少量を膨脹弁を通
して迂回させ、その後、図示のように廃棄物として排出
させてもよい。

【００３０】図１乃至５のさらなる実施例に構想すると
、それには、供給材料流れの揮発性不純物を低減してか
ら、低圧塔に導入する必要がある。たとえば。蒸留塔を
分離器２１０と２１１の代りに用いて、分離器へ到来す
る流れを冷却、膨脹させて塔の上部に導入する。揮発性
不純物を下降液体からフラッシュし、上昇蒸気により抜
き取る。通常、到来供給材料をボイラー・凝縮器に入れ
て、この塔の下部で前記液体に接して冷却する。従って
、蒸留塔を分離器２１０と２１１の代りに用いても差支
えない。

【００３１】高圧塔から粗液体窒素流れ２０中の揮発性
汚染物の低減に用いることができる実施例は、液体窒素
流れを高圧塔から３つ目の蒸留塔の上部に装入すること
である。下降液体をそこで、上昇蒸気により揮発性不純
物から除去する。到来供給材料空気流れの１部を用いて
、塔の下部にあるボイラー・凝縮器の窒素液体を蒸発さ
せる。固定蒸留塔からのオーバーヘッドを高圧塔２０２
の上部に戻してもよく、それで液体部分が分離器２１０
に移送されることになる。

【００３２】酸素が全工程で必要生成物でない場合、図
４の系統図を、ボイラー・凝縮器２０８を高圧塔と連動
させ、また付加ボイラー・凝縮器を加え、さらにそれを
低圧塔の下部と連結させることで修正できる。

【００３３】図５は、ボイラー・凝縮器５０８からとっ
た揮発性高純度パージ流れ５１８を示す。別の例として
、このパージを全部とらないで、前記高窒素流れ５１４
の全量を高圧塔５０８の上部にあるボイラー・凝縮器５
０８で凝縮できる。この選択では、高圧塔の上部と、液
体窒素流れ５３０除去位置の間のトレー部の必要はなく
、液体窒素流れ５３０を凝縮窒素流れ５１６の一部とし
て抜き取り、低圧塔５０４に送る。

【００３４】

【実施例】下記の実施例は、本発明の実施例を具体的に
示すが、その範囲を限定するものではない。実施例１高純度液体窒素図１に説明の装置を用いる空気分離法を実行した。図１
は、超高純度液体窒素、液体酸素および液体アルゴンを
主として生産する装置を示す。この図においては、軽質
汚染物が含まれる供給材料空気流れ１２を高圧塔の下部
で供給する。気体窒素流れ２６を上部トレーの２、３の
トレー下で抜き取り、窒素再循環液化装置２１２に送り
、そこで窒素を凝縮する。液体窒素流れ２０も、最終的
には低圧塔に還流を供給するほぼ同一の場所から抜き取
る。高圧塔の上部からは、主生成物流れはなにも抜き取
られることはなく、上部３乃至５トレーは蒸気相の軽質
物の濃度を増大する。非凝縮性パージ（流れ１８）を低
圧塔の下部にあるボイラー・凝縮器からとる。このパー
ジには、かなり高い濃度の軽質物が含まれ、軽質汚染物
の大部分を本装置から除去してから僅かな供給材料も低
圧塔に導入する役目がある。

【００３５】窒素液化装置への供給材料流れ、詳しくは
高圧塔からの流れ２６には、他の流れと比較して有意に
高い濃度の軽質汚染物が含まれている。従って、前記液
化装置からの戻り液体窒素流れ５２にも、好ましくない
ほど高濃度のこれらの成分が含まれている。この流れを
高圧塔からの還流流れ２０と共に膨脹させて、分離器２
１０に送る。この分離器において、約２乃至１５％の全
供給材料流れをフラッシュすると、蒸気流れ５４として
出てくる。分離器からの液体窒素流れを還流として低圧
塔の上部に送る。いくつかの事例では、この液体流れそ
れ自体が、生成物液体窒素規格に適格である。一般には
、低濃度がより好ましく、この流れを低圧塔の上部に還
流として供給することが有利である。低圧塔上部で起き
る下降液体流れを軽質成分からさらに除去し、高純度の
最終液体窒素生成物（流れ３４）を、低圧塔の上部の１
乃至５トレーで抜き取る。分離器２１０からの蒸気流れ
５４は、軽質汚染物が多く、廃棄物流れとして廃棄が好
ましい。この方法で、気体窒素生成物が、低圧塔から得
られ、これは相対的に純粋である。

【００３６】図１における系統図の試験計算を所定のプ
ロセス設計で行った。供給材料空気中の水素濃度は６ｐ
ｐｍで、高純度液体窒素の生産が目的であった。パージ
流れ１８の水素濃度が０．８％であることが観測される
。その流量は、高圧塔に流れる空気流れ１２の全流量の
０．０６％のかなり小さいものであり、この流れが供給
材料流れ１２に含まれる約７５％窒素を除去する責務が
ある。高圧塔から抜き取られた還流液体窒素流れ２０に
は０．２１ｐｐｍの水素が含まれている。この流れを液
化装置からの液体窒素流れ５２と共に、分離器２１０で
フラッシュすると、分離器（流れ２２）からの液体窒素
中の水素の濃度は０．０９ｐｐｍに低下する。この濃度
は低くても、現在の産業界のさらに厳しい必要条件には
合わないかもしれない。合わないと、分離器からのこの
結果として出た液体を低圧塔の上部に送ってもよい。そして低圧塔から抜き取られた液体窒素生成物（流れ３
４）には、約０．２ｐｐｂの濃度の水素が含まれている
。

【００３７】図１における液体窒素生成物が非常に純粋
である１つの理由は、液体窒素生成物の抜き取り位置の
下の低圧塔に上昇する蒸気流れ中の水素の濃度がかなり
低いためである。たとえば、この濃度が０．０６ｐｐｍ
である。この蒸気は、それが低圧塔の上部数トレーに上
昇するに従い、下降液体窒素を軽質不純物から除去して
、液体窒素生成物を精製する。蒸気流れの上昇につれ、
蒸気相の軽質物の濃度は増加し、低圧塔の上部を離れる
気体窒素には、約０．１９ｐｐｍの水素が含まれている
。

【００３８】図１の方法は、これから説明の他の方法で
行うのと同様に、軽質汚染物の平衡定数がかなり高いと
いう事実を利用する。たとえば、９０乃至１０５ｐｓｉ
ａの典型的高圧塔圧力における水素の平衡定数は３５乃
至５０である。これは、高圧塔における液相の水素濃度
が、蒸気相にあるそれの約３５分の１乃至５０分の１で
あることを意味する。活用されるもう１つの事実は、こ
の平衡定数の値が、圧力の低下に従って急速に増加する
ことである。従って、１８乃至２５ｐｓｉａの典型的低
圧塔圧力における水素の平衡定数の値が３００の近辺で
ある。結果として、高圧塔からの液体の圧力が低下させ
られると、軽質汚染物の大部分がフラッシュした蒸気に
含められ、このフラッシュした蒸気の単離は、大いに低
い濃度の軽質汚染物を含む低圧塔の上部からの気体窒素
流れに結びつく。実施例２超高純度気体窒素これまで図１に説明した系統図には、１つの主要な欠点
があるようだ。高純度の気体窒素生成物が必要な場合、
この方法で入手できる最も純粋な気体窒素流れは、低圧
塔の上部からの流れ３２により説明される。この流れに
ある水素の濃度は約０．０２１ｐｐｍである。いくつか
の用途によっては、いっそう高純度の気体窒素流れの生
成が好ましい。図２では、超高純度の気体窒素生産の変
型を提供する。気体窒素生成物の流れを低圧塔の上部ト
レーの数トレー下で抜き取る（流れ３５）。低圧塔の下
部から上昇する蒸気中の軽質汚染物の濃度は極めて低い
。すなわち、流れ３６の濃度と本質的に同一である。従って、窒素蒸気流れ３５の軽質物の濃度も極めて低い
。少量の蒸気は塔内を上方方向に移動させられ、流れ３
２として塔の上部から収集される。この蒸気流れが、下
降還流液体窒素流れ２２の前記軽質汚染物からの除去を
必要とする。蒸気流れ３２の流量は、低圧塔の上部数ト
レーにおける所望の抜き取りを達成できるものである。流れ３２は廃棄物として廃棄しても、あるいは窒素再循
環液化装置に再循環させることもできる。主要点は、気
体窒素生成物流れ３５を汚染窒素流れ３２と混合しては
ならないことである。従って、この系統図の供給材料と
生成物の条件としては、濃度が２．５ｐｐｂ以下の水素
が含まれるまた別の気体窒素生成物の生成が可能である
。実施例３超高純度気体窒素図４は、図１と２の方法の他の変型を具体的に示し、極
めて高純度の気体窒素を生産する。この系統図において
、低圧塔の圧力は１７乃至２２ｐｓｉａという普通の低
圧塔の圧力以上の圧力に増圧される。従って、前記低圧
塔は、低圧塔上部での圧力が２２ｐｓｉａ以上になるよ
う運転される。高圧塔からの液体窒素流れ２０を低圧塔
の適当な位置、好ましくは、低圧塔の上部トレーの数ト
レー（１乃至５）に供給する。液体窒素流れ３４を低圧
塔の適当な位置から抜き取る。適当な位置は液体窒素還
流流れ２０の供給位置の少くとも１トレー下である。この流れの１部または全部の圧力（流れ６５）を下降さ
せ、低圧塔の上部にあるボイラー・凝縮器２１８で気化
させる。前記気化流れ３５が、所望の高純度気体窒素生
成物を供給する。低圧塔の上部数トレーが、蒸気相の軽
質物を濃縮し、この流れをボイラー・凝縮器２１８で凝
縮すると、軽質成分の多い流れ６７がパージ流れとして
抜き取られる。ボイラー・凝縮器を低圧塔と連動させ、
また、揮発性不純物を管路６７を経由して除去すること
で、管路１８経由、高圧塔からのパージングの削除が可
能である。その場合、管路１４を経由して除去された蒸
気の実質的に全部を凝縮し、管路１６経由、高圧塔に戻
す。

【００３９】図４の機構の利点は、気体窒素生成の純度
と回収率は高い。これは、パージ流れ６７の流量が、た
とえば図２にあるように、低圧塔の上部と分離器２１０
からのパージ流れに比べずっと小さいためである。

【００４０】

【発明の効果】以上述べた通り、本発明によれば製品と
して超高純度窒素を高効率かつ高回収率で得ることがで
きるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】強化された回収率を伴った超高純度窒素を発生
させる実施例の略図である。

【図２】図１の方法の変型であって、窒素液化装置から
の窒素の１部を膨脹させて冷却を施し、高圧塔に装入し
、そして液体窒素流れのほかに窒素蒸気流れを低圧塔の
上部の近くで除去する略図である。

【図３】図２の方法の変型であって、別のボイラー凝縮
器を用いて、高圧塔からの不純物を含む高窒素蒸気の１
部を低圧塔からの液体窒素生成物に接触させて凝縮する
略図である。

【図４】図１の変型であって、低圧塔からの液体窒素の
１部分を膨脹させ、それを用いて低圧塔の塔頂で窒素分
を凝縮させる略図で、ターボ膨脹器を設けて付加冷却を
することを示す図である。

【図５】図１の変型であって、低圧塔からの未凝縮窒素
留分の１部分だけをパージとして除去する略図である。

【符号の説明】１０　　供給材料空気流れ１２　　流れ１４　　管路１６　　管路１８　　管路２０　　管路２２　　管路２４　　管路２６　　管路２８　　管路３０　　管路３２　　管路３４　　管路３５　　管路３６　　管路３７　　管路３８　　管路３９　　管路４０　　管路４２　　管路４４　　管路４５　　ターボ膨脹器４６　　管路４８　　管路５０　　管路５１　　パージ流れ５２　　管路５４　　管路５５　　液体窒素流れ５７　　管路５９　　液体窒素流れ６１　　沸騰流れ６３　　管路６５　　管路６７　　パージ流れ２００　　主熱交換器装置２０２　　高圧塔２０４　　低圧塔２０６　　サイドアーム塔２０８　　ボイラー・凝縮器２１０　　分離器２１１　　分離器２１２　　窒素再循環液化装置２１４　　ボイラー・凝縮器２１６　　補助ボイラー・凝縮器２１８　　ボイラー・凝縮器５００　　主熱交換器装置５０２　　高圧塔５０４　　低圧塔５０８　　ボイラー・凝縮器５１０　　流れ５１２　　流れ５１４　　管路５１６　　管路５１８　　管路５２０　　管路５２２　　管路５２４　　管路５３０　　管路５４０　　管路５４２　　管路５４４　　管路５４６　　ターボ膨脹器５４８　　管路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　　　連続多塔式蒸留装置には空気流れ
を圧縮し、凝縮可能不純物を除去そして冷却して前記連
続多塔式蒸留装置に供給する供給材料を発生させて、超
高純度窒素を高窒素回収率で生産する、窒素、酸素およ
び揮発性不純物から成る空気を連続多塔式蒸留装置で極
低温分離する方法において、ａ）液体窒素留分と、揮発性不純物を含む高窒素蒸気留
分を前記高圧塔の上部の近くで発生させる工程と、ｂ）
前記液体窒素留分の１部を前記高圧塔から除去する工程
と、ｃ）前記液体窒素留分を膨脹させて、前記膨脹した留分
を前記低圧塔の上部に供給材料として導入する工程と、
ｄ）残留揮発性不純物を含む高窒素蒸気留分を前記低圧
塔の上部に発生させて、この留分をオーバーヘッドとし
て除去する工程と、ｅ）前記工程（ａ）または（ｄ）もしくはその両工程で
発生した前記高窒素蒸気留分の少くとも１つを部分的に
凝縮する工程と、ｆ）揮発性不純物に濃縮された前記未凝縮高窒素蒸気留
分の少くとも１つの１部を、パージ流れとして前記ボイ
ラー・凝縮器から除去する工程と、ｇ）前記凝縮高窒素蒸気留分の少くとも１つの少くとも
１部分を還流として塔に戻す工程と、ｈ）超高純度窒素留分を製品として前記低圧塔から、揮
発性不純物を含む高窒素蒸気の除去位置の下、かつ、ま
た液体窒素留分を還流として前記低圧塔に戻す位置の下
の位置で発生させて除去する工程と、から成る空気の極
低温分離法。
【請求項２】　　前記高い方の圧力塔からの液体窒素を
膨脹させ、前記揮発性不純物をそれからフラッシュする
ことを特徴とする請求項１の空気の極低温分離法。
【請求項３】　　前記分離器より得られた窒素液体の少
くとも１部分を前記低圧塔の上部に窒素還流として戻す
ことを特徴とする請求項２の空気の極低温分離法。
【請求項４】　　前記低圧塔から液体窒素生成物を、残
留揮発性不純物を含む前記窒素蒸気の除去位置約２乃至
５トレー下の位置で抜き取ることを特徴とする請求項３
の空気の極低温分離法。
【請求項５】　　前記低圧塔の上部から窒素蒸気生成物
流れを、残留不純物を含む高窒素蒸気の除去位置の下の
位置で抜き取ることを特徴とする請求項３の空気の極低
温分離法。
【請求項６】　　前記高圧塔からの液体窒素を蒸留塔の
上部で装入し、それから除去される揮発性成分を結果と
してできる液体留分と共に、液体窒素を低圧塔に還流と
して導入することに用いる分離器に装入することを特徴
とする請求項２の空気の極低温分離法。
【請求項７】　　前記液体窒素を低圧塔に戻す分離器は
蒸留塔であることを特徴とする請求項８の空気の極低温
分離法。
【請求項８】　　前記低圧塔で、揮発性不純物の多い窒
素留分を発生させて、前記低圧塔からの揮発性不純物を
含む高窒素留分の１部を別のボイラー・凝縮器に装入し
、前記低圧塔に還流として戻った凝縮留分で凝縮させて
、未凝縮分をパージとして除去することを特徴とする請
求項７の空気の極低温分離法。
【請求項９】　　窒素回収率を増大させながら超高純度
窒素生成物を生産するために、高圧塔、低圧塔およびア
ルゴン分離用サイドアーム塔が備わる連続多塔式蒸留装
置で空気を極低温分離する方法において、ａ）前記冷却
空気流れの実質的全量を前記高圧塔に供給する工程と、ｂ）液体窒素留分と、揮発性不純物を含む高窒素蒸気留
分とを前記高圧塔の上部近くに発生させる工程と、ｃ）
前記液体窒素留分の１部を前記高圧塔から、揮発性不純
物を含む高窒素蒸気留分除去に決められた除去位置の下
の位置で除去する工程と、ｄ）前記液体窒素留分を膨脹させて、前記膨脹留分を前
記低圧塔の上部に導入する工程と、ｅ）残留揮発性不純物留分を含む高窒素蒸気留分を低圧
塔の上部で発生させて、その留分をオーバーヘッドとし
て除去する工程と、ｆ）上記工程（ｂ）または工程（ｅ）で発生させた前記
高窒素蒸気留分の少くとも１つをボイラー・凝縮器で部
分凝縮し、前記濃縮高窒素蒸気留分の少くとも１つの少
くとも１部を還流として塔に戻す工程と、ｇ）前記工程
（ｆ）で発生して揮発性不純物に濃縮された未凝縮高窒
素蒸気留分の少くとも１つの少くとも１部をボイラー・
凝縮器からパージ流れとして除去する工程と、ｈ）アルゴン流れを前記低圧塔から除去して、このアル
ゴン流れを前記サイドアーム塔で精留のうえ、高アルゴ
ン生成物をオーバーヘッドとして回収する工程と、ｉ）
超高純度窒素留分を生成物として前記低圧塔から、残留
揮発性不純物を含む高窒素蒸気の除去位置の下、かつ前
記液体窒素留分を還流として前記低圧塔に戻す位置の下
の位置で発生させ、また除去する工程と、から成る空気
の極低温分離法。
【請求項１０】　　前記高圧塔で、揮発性不純の多い窒
素留分を発生させて、前記高圧塔からの揮発性不純物を
含む高窒素蒸気留分の１部を別のボイラー・凝縮器に装
入し、高圧塔に還流として戻った凝縮留分で凝縮させ、
そして未凝縮留分をパージとして除去することを特徴と
する請求項９の空気の極低温分離法。
【請求項１１】　　前記高圧塔からの液体窒素を膨脹さ
せて、前記揮発性不純物をそれから分離器にフラッシュ
することを特徴とする請求項１０の空気の極低温分離法
。
【請求項１２】　　前記分離器から得られた窒素液体の
少くとも１部を前記低圧塔の上部に窒素還流として戻す
ことを特徴とする請求項１１の空気の極低温分離法。
【請求項１３】　　前記低圧塔から液体窒素生成物を、
残留揮発性不純物を含む窒素蒸気の除去位置の約２乃至
５トレー下の位置で抜き取ることを特徴とする請求項１
２の空気の極低温分離法。
【請求項１４】　　前記低圧塔の上部から窒素蒸気生成
物流れを、残留不純物を含む高窒素蒸気の除去位置の下
の位置で抜き取ることを特徴とする請求項１３の空気の
極低温分離法。
【請求項１５】　　前記高圧塔からの液体窒素を蒸留塔
の上部で装入し、それから除去される揮発性成分を、結
果としてできる液体留分と共に、液体窒素を低圧塔に還
流として導入することに用いる分離器に装入することを
特徴とする請求項１４の空気の極低温分離法。
【請求項１６】　　前記低圧塔に液体窒素を戻す分離器
は、蒸留塔であることを特徴とする請求項１４の空気の
極低温分離法。