JPH0571870A - 高圧窒素の製造方法及び装置 - Google Patents

高圧窒素の製造方法及び装置

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JPH0571870A
JPH0571870A JP4029078A JP2907892A JPH0571870A JP H0571870 A JPH0571870 A JP H0571870A JP 4029078 A JP4029078 A JP 4029078A JP 2907892 A JP2907892 A JP 2907892A JP H0571870 A JPH0571870 A JP H0571870A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 空気を低温精留することによって改善された
回収率で高圧窒素を製造する方法を提供する。 【構成】 圧縮供給空気を主塔１００にもたらし、主塔
中の供給空気を、窒素濃縮成分１７と酸素富化成分１８
とに分離し、酸素富化成分を、主塔の圧力よりも低い圧
力で操作される補助塔２００にもたらし、酸素富化成分
を窒素富化蒸気２２と酸素濃縮液体２３に分離し、窒素
富化蒸気２２を、酸素濃縮液体２３と間接的に熱交換し
て凝縮して、窒素富化液体２６を生成し、窒素富化液体
の圧力を実質的に主塔の操作圧力まで上昇し、加圧した
窒素富化液体を、さらに窒素濃縮成分を生成するために
主塔にもたらし、窒素濃縮成分１６を主塔から高圧窒素
製品として回収する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、概して、空気を低温分
離して窒素を製造することに関し、さらに詳細には高圧
の窒素を製造することに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】高圧の
高純度窒素は、ガラス製造、アルミニウム製造及び電子
産業のような多くの産業において、ブランケッティン
グ、攪拌、輸送及び不活化のような多くの用途に用いら
れる。さらに、高圧に昇圧圧縮した後、有価の油または
ガスを回収する操作に大量の窒素が用いられる。
【０００３】高圧の窒素を製造する一の重要な方法は、
単一の塔を用いて空気を低温精留または分離することで
ある。かかる系は、比較的低い回収率でしか有効に高圧
窒素を製造することができないという欠点がある。単一
塔系は、一般に、高圧窒素製品として、供給空気の約４
２パーセントしか有効に回収することができない。
【０００４】空気の低温分離による窒素の回収は、高圧
塔及び低圧塔が熱交換関係にある２塔低温精留系を用い
ることによって向上することができる。かかる系は、窒
素の回収率を改善するが、回収されたかなり量の窒素は
低圧である。従って、もし、高圧窒素が要求されるなら
ば、その低圧窒素を高圧に圧縮しなければならず、それ
ゆえ、その窒素製造システムは資本及び運転出費を必要
とする。
【０００５】従って、高圧窒素を改善された回収率で製
造することができるシステムを持つことが望ましい。
【０００６】よって、本発明の目的は、空気を低温精留
することによって改善された回収率で高圧窒素を製造す
る方法を提供することにある。本発明の他の目的は、空
気を低温精留することによって改善された回収率で高圧
窒素を製造する装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】発明の要約 上記のそして他の目的は、当業者がこの開示を読むこと
によって明らかになり、そしてそれらの目的は以下の本
発明の一態様により達成される；すなわち、本発明の一
の態様は、高圧窒素を改善された回収率で製造する方法
であって、（Ａ）圧縮した供給空気を５．６〜１０．５
kg/cm2（絶対圧）（８０〜１５０ポンド／インチ2 （絶
対圧））の範囲内の圧力で操作される主塔にもたらし、
（Ｂ）主塔中の供給空気を、窒素濃縮(nitrogen-riche
r) 成分と酸素富化(oxgen-enriched)成分とに分離し、
（Ｃ）酸素富化成分を、主塔の圧力よりも低い圧力で操
作される補助塔にもたらし、（Ｄ）酸素富化成分を窒素
富化蒸気と酸素濃縮液体に分離し、（Ｅ）窒素富化蒸気
を、酸素濃縮液体と間接的に熱交換して凝縮して、窒素
富化液体を生成し、（Ｆ）窒素富化液体の圧力を実質的
に主塔の操作圧力まで上昇し、（Ｇ）加圧した窒素富化
液体を、さらに窒素濃縮成分を生成するために主塔にも
たらし、（Ｈ）窒素濃縮成分を主塔から高圧窒素製品と
して回収することを含む上記方法により達成される。
【０００８】本発明の別の態様は、改善された回収率で
高圧窒素を製造するための装置であって、（Ａ）上部凝
縮器と主塔に供給物をもたらすための手段を有する主塔
と、（Ｂ）主塔の下方部分から上部凝縮器に流体を提供
する手段と、（Ｃ）上部凝縮器を有する補助塔と、
（Ｄ）主塔の上部凝縮器から補助塔に流体を提供する手
段と、（Ｅ）補助塔の上部凝縮器から主塔に液体を供給
し且つ上記液体の圧力を上昇する手段を含む手段と、
（Ｆ）主塔から生成物を回収する手段とを含む上記装置
である。
【０００９】用語「塔」は、本文中では、蒸留、精留ま
たは分留塔、すなわち、例えば、塔内に縦に間隔を置い
て配置された一連の棚または板、または充填要素、また
はそれらの組み合わせ上で蒸気及び液体相を接触するこ
とによって、液体及び蒸気相を向流接触して流体混合物
の分離を実行する接触塔または接触区域を意味する。分
留塔の詳しい議論に関して、R.H.Perry 及びC.H.Chilto
n 編集のケミカルエンジニアズハンドブック（第５版、
マグローヒル・ブックカンパニー（ニューヨーク）、１
３巻）のB.D.Smith らによる「蒸留」（１３−３頁）連
続蒸留方法を参照のこと。
【００１０】用語「上部凝縮器」は、本文中において
は、低圧での液体の蒸発と間接的に熱交換することによ
って、塔からの蒸気が凝縮されて還流をもたらす主塔ま
たは補助塔の各凝縮器をそれぞれ意味するのに使われ
る。
【００１１】用語「間接的な熱交換」は、本文中におい
ては、流体同士の物理的な接触または内部混合を伴わず
に、二つの流体流れに熱交換関係を生じさせることを意
味するのに使われる。
【００１２】用語「ターボ膨張(turboexpantion)」は、
本文中においては、タービンのような装置を通じて気体
の膨張によって気体の圧力エネルギーを機械仕事に変換
すること意味するのに使われる。
【００１３】詳細な説明 本発明の方法及び装置を図面を参照して詳細に説明す
る。本発明の一具体例を示す図１を参照して、供給空気
１は圧縮器２を通過することによって圧縮され、そして
得られる圧縮供給空気３は予備清浄器４を通過すること
によって水蒸気や二酸化炭素のような高沸点不純物が浄
化される。予備清浄器４は典型的には分子篩床を備え
る。圧縮され、浄化された供給空気５は、次いで、帰還
流との間接的な熱交換による熱交換器６を通過すること
によって冷却される。供給空気の一部分７はターボ膨張
器５０を通過することによってターボ膨張され、それゆ
え、冷却を生じ、この冷却は得られるターボ膨張された
空気流８が補助塔２００に提供されるときに窒素製造系
に入る。もし用いたならば、供給空気部分７は一般的に
は到来する空気１の約５〜２０％になる。
【００１４】次いで、冷却、浄化された圧縮供給空気９
は、５．６〜１０．５kg/cm2（絶対圧）（８０〜１５０
ポンド／インチ2 （絶対圧）(psia)）の範囲、好ましく
は７〜９．１kg/cm2（絶対圧）（１００〜１３０psia）
の範囲内で操作されている主塔１００に入る。図１で
は、供給空気の一部分１０が帰還流と間接熱交換する熱
交換器１１を通過することによって液化される、本発明
の好ましい具体例を示す。得られる液化した供給空気部
分１２及び気体供給空気部分１３は主塔１００に提供さ
れる。もし用いられるならば、液化供給空気部分１２は
到来する供給空気１の約１０％までから構成される。
【００１５】主塔１００内で、供給空気は、低温精留さ
れて窒素濃縮成分と酸素富化成分とに分離される。窒素
濃縮成分は、一般に、少なくとも約９９％の窒素濃度を
有し、９９．９９９９％までまたはそれより高い窒素濃
度を有し得る。酸素富化成分は、一般に、３０〜４５％
の範囲内の酸素濃度を有する。
【００１６】気体状窒素濃縮成分１４は主塔１００から
出る。窒素濃縮成分の一部１５は熱交換器１１及び６を
通過することによって暖められ、そして高圧窒素ガス製
品１６として回収される。製品ガスの圧力は、回収管内
の少ない圧力降下で、主塔の操作圧力にまでなり得る。
窒素濃縮成分の他の部分１７は主塔の上部凝縮器１０１
に入る。主塔１００の底部からまたは底部近傍で液体流
１８として採取される酸素富化成分もまたその上部凝縮
器１０１に入る。図１に示した具体例において、流れ１
８は熱交換機１１を通過することによって冷却される。
冷却された流れ１８の一部分１９は上部凝縮器１０１に
送られ、一方、他の部分２０は直接補助塔２００に入
る。
【００１７】主塔の上部凝縮器１０１内において、窒素
濃縮成分１７は、凝縮器１０１に供給された酸素富化成
分と間接的に熱交換することによって凝縮され、従っ
て、酸素富化成分は少なくとも部分的に蒸発する。図１
に示した具体例において、酸素富化成分は上部凝縮器１
０１内で熱交換することによって完全に蒸発され、そし
て得られる蒸気は流れ２１として補助塔２００の塔底部
または塔底部近傍に送られる。得られる凝縮した窒素濃
縮成分２８は主塔の液体還流として用いられる。もし望
むならば、上部凝縮器１０１からの窒素濃縮成分の一部
分は液体窒素製品として回収し得る。
【００１８】補助塔２００は主塔１００の圧力よりも低
い圧力にて操作される。一般に、補助塔２００の操作圧
力は２．８〜４．９kg/cm2（絶対圧）（４０〜７０psi
a）の範囲、好ましくは３．２〜４．２kg/cm2（絶対
圧）（４５〜６０psia）の範囲の圧力である。補助塔２
００内において、塔への供給物は、低温精留されること
によって窒素富化蒸気と酸素濃縮液体とに分離される。
補助塔２００への供給物は酸素富化成分の一以上の流れ
を含みそしてまたターボ膨張された供給空気流をも含
む。一般には、窒素富化蒸気は、９０〜１００％の範囲
の窒素濃度を有し、酸素濃縮液体は４５〜６５％の範囲
の酸素濃度を有する。
【００１９】窒素富化蒸気２２及び酸素濃縮液体２３は
補助塔の上部凝縮器２０１に送られ、そこで、窒素富化
蒸気は酸素富化液体の蒸発と間接熱交換して凝縮され
る。得られる酸素濃縮蒸気は、上部凝縮器２０１から流
れ２４として熱交換機１１及び６を通じて送られ、流れ
２５として系を出る。得られる窒素富化液体は補助塔２
００に液体還流として送られる。
【００２０】窒素富化液体の一部分２７は圧力を実質的
に主塔１００の圧力に上昇され次いで主塔１００に供給
される。窒素富化液体の圧力上昇の好ましい手段は、図
１に示した液体ポンプのような液体ポンプ６０を通じて
液体を送ることによる。加圧された窒素富化液体は、液
体還流流れ２８と組み合わされて、都合よく主塔１００
に供給される。主塔１００に供給された加圧窒素富化液
体はさらに濃縮成分を生産することを可能にし、結果と
して生じる高圧の窒素製品の生産を可能にする。
【００２１】好ましいとはいえ、加圧された循環窒素液
体流は還流２８と組み合わされる必要はなく、むしろ、
例えば、循環窒素液体流の純度が流れ２８の純度より若
干低いならば、主塔１００の上方区画に挿入され得る。
主塔に戻る循環窒素液体流は追加の窒素液体還流を提供
し、それゆえ、大量の気体状窒素流が主塔の上部から引
き出されて気体状窒素製品流が高い単一圧力にて塔系よ
り生産される。
【００２２】図２は本発明の特に好ましい具体例を示
し、そこでは、冷却、浄化された圧縮供給空気が、主塔
に導入される前に、補助塔の底部と間接熱交換すること
により液化される。図２中の数字は共通の部品に関する
図１の数字に対応し、これらの共通部品の説明は繰り返
さない。
【００２３】ここに図２を参照して、冷却、浄化された
圧縮供給空気の一部分３０は、底部の再沸器２０２に供
給されて、そこで、補助塔２００の底部液体の蒸発と間
接熱交換して凝縮されて、それゆえ、補助塔２００にお
ける蒸気上昇を提供する。もし用いられれば、部分３０
は到来する供給空気１の１〜３０％になり得る。流れ１
３の残部３４は直接塔１００に供給される。得られる液
化した空気は流れ３１として主塔１００に送られる。補
助塔２００の底部の空気沸騰の結果として、主塔の上部
凝縮器１０１からの蒸気は補助塔２００の底部に送られ
る必要がない。図２に示した具体例において、流れ１８
の全部は上部凝縮器１０１に入り、そこで酸素富化液体
成分は、窒素濃縮成分を凝縮するのに対して、部分的に
蒸発する。得られる酸素富化蒸気及び残留酸素富化液体
は、それぞれ、流れ３２及び３３として上部凝縮器から
共に補助塔２００の再沸器の上方であってターボ膨張さ
れた供給空気流８の導入地点より下方に送られる。補助
塔２０２の追加は、廃棄流２４になる流れ２３の酸素含
有量を富化することによって、図１に示した単純な配置
におけるよりも窒素回収率を増加する。全流れ１８を上
部凝縮器１０１に送ることが、供給流１を塔系に関して
もっとも低い圧力にさせる特徴である。
【００２４】図３は本発明の別の好ましい具体例を示
し、そこでは供給空気流ではなく廃棄流がターボ膨張さ
れて冷却を生じる。図３中の数字は共通の部品について
図１及び／または図２の部品に相当し、これらの共通部
品の説明は繰り返さない。
【００２５】ここに図３を参照して、供給空気流５の全
部分が熱交換機６を完全に横切って進む。上部凝縮器１
０１からの酸素富化蒸気の一部分４０は熱交換器を部分
的に横切ることによって暖められ、一方、酸素富化蒸気
４１の他の部分４２は補助塔２００に送られる。暖めら
れた酸素富化蒸気４３はターボ膨張器４４を通過するこ
とによってターボ膨張されて冷却を生じ、得られるター
ボ膨張された流れ４５は、例えば、流れ２４と組み合わ
されて、熱交換機６を通り、それゆえ、加えられた冷却
を到来する供給空気にそして系内に輸送する。得られる
暖められた流れは例えば廃棄流２５と一緒に系から取り
出される。
【００２６】本発明のコンピュータシミュレーション
を、図２及び３に示した具体例に従い実行し、それぞれ
表２及び３に示す。表中の流れの数字は図中の数字に相
当する。
【００２７】
【表１】
【００２８】
【表２】
【００２９】これらの表からわかるように、図２に示し
た本発明の具体例は、高圧窒素製品として入ってくる供
給空気の５６．５％の回収率を可能にし、そして図３に
示した本発明の具体例は、高圧窒素製品として到来する
供給空気の５４．９％の回収率を可能にする。
【００３０】比較のために、典型的な単一塔の窒素発生
サイクルについてコンピュータシミュレーションを実行
した。この従来のサイクルは、到来する供給空気のわず
か４０．６％が高圧窒素製品として回収された。それゆ
え、本発明は、従来の単一塔の窒素発生系により達成さ
れ得る場合よりも３０％以上高い高圧窒素の回収率０を
達成することができる。
【００３１】本発明を所定の具体例を参照して詳細に記
載してきたが、当業者は特許請求の範囲内で本発明の他
の具体例が存在することがわかろう。例えば、系の冷却
は、主塔からの窒素濃縮成分の一部分をターボ膨張する
ことによって発生され得、低圧で窒素製品を生産し得
る。この別の態様は、低圧の窒素製品が望まれるならば
有利になるであろう。また、もし都合がよければ、系の
冷却は補助塔から採取された酸素富化蒸気のターボ膨張
によって発生し得る。上部凝縮器の一または両方はそれ
らのそれぞれの塔内に、図に示したような外側と対向す
るように置くことができる。さらに、図２及び３に示し
た補助塔の再沸器は補助塔の外側に置くことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一具体例を示す流れ図である。
【図２】供給空気のターボ膨張を用いて冷却を生じる本
発明の他の好ましい具体例を示す流れ図である。
【図３】廃棄流をターボ膨張して冷却を生じる本発明の
他の好ましい具体例を示す流れ図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハリー・チユン アメリカ合衆国ニユーヨーク州ウイリアム ズビル、ヒースウツド・ロード６ (72)発明者 ダンテ・パトリツク・ボナキスト アメリカ合衆国ニユーヨーク州グランド・ アイランド、ランサム・ロード1036

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 高圧窒素を改善された回収率で製造する
    方法であって、 （Ａ）圧縮供給空気を、５．６〜１０．５kg/cm2（絶対
    圧）（８０〜１５０ポンド／インチ2 （絶対圧））の範
    囲内の圧力で操作する主塔にもたらし、 （Ｂ）主塔中の供給空気を窒素濃縮成分と酸素富化成分
    とに分離し、 （Ｃ）酸素富化成分を、主塔の圧力よりも低い圧力で操
    作される補助塔にもたらし、 （Ｄ）酸素富化成分を窒素富化蒸気と酸素濃縮液体に分
    離し、 （Ｅ）窒素富化蒸気を、酸素濃縮液体と間接的に熱交換
    して凝縮して、窒素富化液体を生じさせ、 （Ｆ）窒素富化液体の圧力を実質的に主塔の操作圧力に
    上昇し、 （Ｇ）加圧した窒素富化液体を、さらに窒素濃縮成分を
    生成するために、主塔にもたらし、 （Ｈ）窒素濃縮成分を、主塔から高圧窒素製品として回
    収することを含む上記方法。
  2. 【請求項２】 窒素濃縮成分の一部分を凝縮しそして主
    塔中で還流として用いる請求項１の方法。
  3. 【請求項３】 窒素濃縮成分を酸素富化成分との間接熱
    交換により凝縮し、得られる酸素富化成分を補助塔に送
    る請求項２の方法。
  4. 【請求項４】 酸素富化成分を窒素濃縮成分の凝縮と間
    接熱交換することによって部分的に蒸発し、得られる酸
    素富化蒸気と酸素富化液体の両方を補助塔を通す請求項
    ３の方法。
  5. 【請求項５】 窒素富化液体の圧力を液体ポンプにより
    上昇する請求項１の方法。
  6. 【請求項６】 圧縮供給空気の一部分を、主塔に導入す
    る前に、液化することをさらに含む請求項１の方法。
  7. 【請求項７】 上記供給空気部分を、補助塔の底部と間
    接熱交換して液化してそれによって補助塔用の蒸気の上
    方流れを提供する請求項６の方法。
  8. 【請求項８】 圧縮供給空気の一部分をターボ膨張して
    冷却を発生させそしてターボ膨張された供給空気部分を
    補助塔に導入して系に冷却をもたらすことをさらに含む
    請求項１の方法。
  9. 【請求項９】 酸素富化成分の一部分をターボ膨張して
    そして上記ターボ膨張した部分を圧縮供給空気との間接
    熱交換に送って系に冷却をもたらすことをさらに含む請
    求項１の方法。
  10. 【請求項１０】 窒素濃縮成分の一部分をターボ膨張し
    て冷却を発生し、そしてターボ膨張した窒素濃縮部分を
    圧縮供給空気との間接熱交換に送って系に冷却をもたら
    す請求項１の方法。
  11. 【請求項１１】 改善された回収率で高圧窒素を製造す
    る装置であって、 （Ａ）上部凝縮器と主塔に供給物をもたらすための手段
    を有する主塔と、 （Ｂ）主塔の下方部分から上部凝縮器に流体をもたらす
    手段と、 （Ｃ）上部凝縮器を有する補助塔と、 （Ｄ）主塔の上部凝縮器から補助塔に流体をもたらす手
    段と、 （Ｅ）補助塔の上部凝縮器から主塔に液体をもたらし且
    つ上記液体の圧力を上昇する手段を含む手段と、 （Ｆ）主塔から製品を回収する手段とを含む上記装置。
  12. 【請求項１２】 圧力上昇手段が液体ポンプを含む請求
    項１１の装置。
  13. 【請求項１３】 ターボ膨張器、供給物をターボ膨張器
    にもたらす手段、及び供給物をターボ膨張器から補助塔
    にもたらす手段をさらに含む請求項１１の装置。
  14. 【請求項１４】 ターボ膨張器、流体を主塔の上部凝縮
    器からターボ膨張器にもたらす手段及び流体をターボ膨
    張器から供給物との間接熱交換にもたらす手段をさらに
    含む請求項１１の装置。
  15. 【請求項１５】 供給物の一部分を主塔に導入する前に
    液化する手段をさらに含む請求項１１の装置。
  16. 【請求項１６】 供給物の上記部分を液化する手段とし
    て補助塔の下方部分の再沸器を含む請求項１５の装置。
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