JPH0789016B2 - 空気の極低温分離法 - Google Patents

空気の極低温分離法

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JPH0789016B2
JPH0789016B2 JP3358503A JP35850391A JPH0789016B2 JP H0789016 B2 JPH0789016 B2 JP H0789016B2 JP 3358503 A JP3358503 A JP 3358503A JP 35850391 A JP35850391 A JP 35850391A JP H0789016 B2 JPH0789016 B2 JP H0789016B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、空気を分離して超高純
度の窒素を高回収率で回収する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その構成成分に
分離する方法が数多くあることは周知である。典型的例
として、空気分離の方法は、汚染物質例えば二酸化炭素
と水を圧縮空気流れから除去してからその露点近辺まで
冷却する必要がある。その後、冷却空気を、酸素、窒素
及びアルゴンを生成させる一貫多塔式蒸留装置で極低温
蒸留する。蒸留装置の１つの型式では、高圧塔、低圧塔
及び、任意的にアルゴン分離用のサイドアーム塔を採用
する。アルゴン分離用のサイドアーム塔は、典型的例と
して、約８乃至１２％のアルゴンを含むアルゴン・酸素
流れを除去し、極低温蒸留を行う低圧塔に連接される。
【０００３】揮発性もしくは軽質汚染物、例えば水素ヘ
リウム及びネオンを含む超高純度窒素流れを生成させる
上述の方法の変法が提案されてきた。供給空気中のこれ
らの汚染物質のいくつかを、２０ｐｐｍという高い濃度
に濃縮できる。これらの軽質成分のほとんどすべてが、
空気分離装置（ＡＳＵ）からの最終窒素生成物に自然に
現れる。電子工業などのいくつかの事例では、この汚染
レベルは、この窒素生成物の最終用途の条件に適合しな
い。超高純度窒素法は、不純物の量を５ｐｐｍ以下典型
的例として汚染物が０．１ｐｐｍ以下に低下させる。
【０００４】下記する特許は、本問題の取り組み方を開
示する。
【０００５】米国特許第４，８２４，４５３号は、超高
純度窒素と同様高純度窒素の生成の方法を開示し、その
場合の窒素純度は９９．９９８％以上で、又不純物の量
が概ね１０ｐｐｍ以下である。更に詳述すれば、空気を
精留装置で圧縮、冷却及び蒸留する。その場合第１段階
精留では、酸素濃縮部分を下部から除去し、高窒素液体
部分を前記第１段階精留の上部より除去する。前記高窒
素液体を過冷して、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段階精留の上部から除去し、
窒素蒸気を、前記第２段階精留の上記液体除去位置の上
部位置で除去する。前記第１段階の下部からの酸素を過
冷、膨脹させて高純度アルゴン塔の上部にあるボイラー
・凝縮器の駆動に用いる。前記第１段階の上部からの窒
素蒸気を用いて高純度酸素塔の下部にあるボイラー・凝
縮器を駆動させる。生成物純度増大のため、不純物が多
量にある高圧塔の上部から気体窒素流れの１部をパージ
として除去する。
【０００６】米国特許第４，９０２，３２１号は、超高
純度窒素の多塔式装置における生産方法を開示する。空
気を圧縮、冷却して高圧塔に装入し、それ自体の成分に
分離して、酸素液体を下部に、高窒素蒸気を上部に発生
させる。前記酸素液体を膨脹させて、前記高圧塔の上部
に熱連結するボイラー・凝縮器を駆動させ、前記高窒素
蒸気を凝縮する。前記高窒素蒸気の１部を高圧塔の上部
から除去して、還流凝縮器として作動する熱交換器の管
側で凝縮させる。結果としてできる液体窒素を膨脹させ
て抜き取り塔の上部に装入し、そこで不純物を含む窒素
を前記抜き取りストリップ塔からフラッシュする。前記
フラッシュで除去されないわずかの不純物も、実質的に
純粋の窒素の流れを上方方向に前記塔を通過させて抜き
取れる。前記抜き取り塔の下部に収集された窒素液体
を、前記熱交換器の外板側にポンプし、前記高窒素蒸気
に接触させて気化させ、高純度生成物として除去する。
【０００７】ヨーロッパ特許第０，０３７６，４６５号
は、超高純度窒素生成物生成の空気分離を開示する。本
方法において、普通の空気分離法からの窒素生成物を還
流凝縮器の備わる塔の下部に装入する。液体窒素を前記
塔の上部より抜き取り、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２度目のフ
ラッシュを行い、結果として得られる液体を回収する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上記した従来の超高純
度窒素の製造法における問題点は主として二つある。こ
れらの問題点は、例えば前記米国特許第４，８２４，４
５３号の方法においては、得られる窒素の純度が電子工
業等における工業規格に照らして必ずしも十分高くない
という事実であり、また前記ヨーロッパ特許第０，０３
７６，４６５号の方法においては窒素回収率が低いこと
である。
【０００９】本発明の目的は、超高純度窒素を高回収率
で生産することのできるような極低温酸素分離法による
超高純度窒素の製造方法を提供するにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ための本発明は、窒素、酸素および揮発性不純物並びに
凝縮性不純物を含む空気を圧縮し、凝縮性不純物を除去
し、冷却した空気を供給空気として第１塔および超高純
度窒素塔からなる一貫多塔式蒸留装置に導入して空気の
分離を行い超高純度窒素を高回収率で生産する方法であ
って、 （ａ）揮発性不純物を含む高窒素蒸気留分を前記第１塔
の上部付近に、また粗液体酸素留分を前記第１塔の下部
に発生させる工程と、 （ｂ）該高窒素蒸気留分を前記第１塔の上部区域から取
り出す工程と、 （ｃ）該第１塔から取り出された高窒素蒸気留分の少な
くとも一部を前記超高純度窒素塔に導入する工程と、 （ｄ）高窒素蒸気留分を該超高純度窒素塔の上部付近
に、また超高純度液体窒素留分を該超高純度窒素塔の下
部に発生させる工程と、 （ｅ）工程（ａ）または工程（ｄ）において発生させた
高窒素蒸気留分の少なくとも一つを分縮させて凝縮留分
と揮発性不純物を多量に含む未凝縮留分とを得る工程
と、 （ｆ）工程（ｅ）で分縮により得られた揮発性不純物を
多量に含む未凝縮留分の少なくとも一つにおける少なく
とも一部をパージ流として除去する工程と、 （ｇ）工程（ｅ）で分縮により得られた凝縮留分の少な
くとも一つにおける少なくとも一部を前記した二つの塔
の少なくとも一つに還流させる工程と、 （ｈ）前記第１塔の下部部分から粗酸素留分を除去する
工程と、 （ｉ）前記超高純度窒素塔から超高純度窒素留分を製品
として取り出す工程とからなることを特徴とする空気の
極低温分離法である。
【００１１】
【作用】本発明の超高純度窒素の製造方法によれば、上
記工程（ａ）において第１塔の上部に発生させた高窒素
蒸気留分または工程（ｄ）において超高純度窒素塔の上
部に発生させた高窒素留分を部分凝縮（以下、分縮とも
いう。）させることにより凝縮液相留分と未凝縮気相留
分とを生成させ、原料空気中に含まれる揮発性不純物を
該未凝縮気相留分中に濃縮させて、これをパージ流とし
て除去することができる。そして、これによって極めて
純度の高い窒素製品を得ることができるとともに、この
際に濃縮度の高いパージ流が得られ、且つパージ量を最
少化することができるので、結果的にパージされて損失
する窒素量が減少し高い回収効率で窒素を回収すること
ができる。即ち、超高純度窒素を高回収率で得ることが
できるという本発明の利点は、揮発性不純物をパージ流
中に濃縮すること、および該パージ流の量を最少化する
ことによって達成される。また本発明の方法によるとき
は、導入空気の供給圧力において超高純度窒素を発生さ
せると共に酸素を共生成させて、生産される超高純度窒
素と標準純度窒素との量的調節を行うことを可能にし、
これによって超高純度窒素の回収をより高回収率で行う
ことができるなどの効果もある。
【００１２】
【実施例】以下に、本発明および本発明により揮発性不
純物が５ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍの高純度
窒素製品を生成させるための構想について容易に理解す
るために本発明の実施例を図示するものに基づいて説明
する。図１は本発明の第１の実施例を示すものであっ
て、図１において、１１０は供給空気であり、該供給空
気１１０は酸素、窒素、アルゴンおよび、例えば水素、
ネオン、ヘリウムのような窒素よりもかなり低い沸点を
有する揮発性不純物並びに、例えば二酸化炭素や水のよ
うな凝縮性不純物を含む空気を多段式圧縮装置において
約８０乃至３００ｐｓｉａ（５．６乃至２１ｋｇ／ｃｍ
２ （絶対圧力）；以下絶対圧力を省略し数値のみを表記
する）、好ましくは９０乃至３００ｐｓｉａ（６．３乃
至２１ｋｇ／ｃｍ ２ ）の圧力範囲に圧縮し、冷却水およ
び適宜の冷媒によって冷却し、分子篩層を通過させて凝
縮性不純物の二酸化炭素と水を除去することによって得
られる。
【００１３】一貫多塔式蒸留装置は、第１塔６０２と超
高純度窒素塔６０４とからなる。第１塔６０２は、供給
空気流１１０の圧力に近い圧力、例えば８０乃至３００
ｐｓｉａ（５．６乃至２１ｋｇ／ｃｍ ２ ）で操作され、
空気を前記塔内の蒸気および液体の緊密な接触によって
各成分に分離する。第１塔６０２には、液体／蒸気の接
触に適した形状の蒸留トレーまたは充填物が気液接触媒
体として配備されている。そして、揮発性不純物を含む
高圧の窒素蒸気を該第１塔６０２の上部部分に、また粗
液体酸素流を該第１塔６０２の下部部分に発生させる。
【００１４】超高純度窒素塔６０４は、約１５乃至３０
０ｐｓｉａ（１．１乃至２１ｋｇ／ｃｍ ２ ）、好ましく
は第１塔６０２の圧力よりも約１０乃至５５ｐｓｉａ
（０．７乃至３．９ｋｇ／ｃｍ ２ ）程低い圧力範囲で操
作される。該超高純度窒素塔６０４は、その底部区域で
最小の損失で超高純度窒素を取得することを目的とする
ものてあり、該超高純度窒素塔６０４には、蒸留トレー
または充填物からなる気液接触媒体が具備されている。
【００１５】図１の方法において、凝縮性不純物が除去
され、主熱交換器装置（図示せず）でその露点近くまで
冷却された空気は、供給空気流１１０として前記一貫多
塔式蒸留装置の第１塔６０２に導入され、揮発性不純物
を含む高圧の高窒素蒸気をオーバーヘッドとして、また
液体酸素留分を残留物として発生する。第１塔６０２で
発生した高圧高窒素蒸気の一部を管路１１２を経由して
抜き取り、その実質的全量を前記超高純度窒素塔６０４
の下部に示されたボイラー・凝縮器６０８において凝縮
する。不純物を含む高窒素蒸気の凝縮はボイルアップ
（塔底部における液体を気化させて蒸気を発生する操作
をいい、以下、気化作用または気化操作とも称する）を
与え、また窒素蒸気を部分凝縮することにより得られる
凝縮液中の揮発性不純物量は減少する。従ってこのよう
に部分凝縮を行うことにより揮発性不純物は気相中に濃
縮されるのである。前記した凝縮窒素留分をボイラー・
凝縮器６０８から抜き取って、少なくともその一部を還
流として管路１１４を通して第１塔６０２に戻す。前記
高圧窒素蒸気留分における未凝縮部分はパージとして管
路１１６により除去し廃棄物として棄却する。
【００１６】超高純度窒素製品を得る場所は超高純度窒
素塔６０４である。図１に示す実施例においては、窒素
蒸気流を第１塔６０２の上部から管路１１８を経由して
抜き取り、膨張させて超高純度窒素塔６０４の中間部分
に供給し、該超高純度窒素塔６０４の上部または最上部
において高窒素流を発生させる。第１塔６０２において
除去される不純物の量によって変わるが、超高純度窒素
塔６０４の上部に生成する高窒素流中には若干量の揮発
性不純物が存在する。該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１２０により抜き取り、そ
の一部をボイラー・凝縮器６１０において凝縮する。こ
れにより得られた凝縮留分は管路１２４により超高純度
窒素塔６０４に戻すとともに、揮発性不純物を多量に含
む未凝縮気体をパージとして管路１２２を経て除去す
る。図に見られるように超高純度窒素塔６０４における
蒸発作用はボイラー・凝縮器６０８によって行われ、こ
の蒸発作用の結果、該超高純度窒素塔６０４の底部に蒸
気留分が発生する。残留不純物が５ｐｐｍ未満、好まし
くは０．１ｐｐｍ未満のような超高純度窒素製品が該超
高純度窒素塔６０４における揮発性不純物除去位置より
下の位置において蒸気留分として管路１２６により抜き
取られる。また超高純度窒素液体も製品として、随意に
超高純度窒素塔６０４の下部から抜き取ることができ
る。
【００１７】多くの標準的な極低温窒素製造装置におい
て、酸素は冷却のために使用され廃棄物として排出され
る。本発明の方法において超高純度窒素製品を生産する
ために必要な冷却を達成するためには、酸素を管路１２
８を経由して取り出し、膨張させて管路１２０を経由し
た超高純度窒素塔６０４からのオーバーヘッドに接触さ
せて気化させる。気化した粗酸素は廃棄生産物として管
路１３０より取り出される。
【００１８】図１に記述する方法の他の実施例は、第１
塔６０２から超高純度窒素塔へ管路１１８を経由して入
る供給窒素蒸気留分を２部分に分割する必要がある。一
方の部をボイラー・凝縮器６１０で粗液体酸素に接触凝
縮させ、還流として第１塔６０２に戻し、他方の部分を
図示の超高純度窒素塔６０４に装入することになる。管
路１１８経由、ボイラー・凝縮器６１０で除去された窒
素蒸気留分の直接凝縮を行うことで、超高純度窒素塔６
０４のボイラー・凝縮器の熱使用を低減し、かつ超高純
度窒素塔６０４の蒸気流量も減少させる。又、高窒素気
体中の揮発性不純物の１部をパージとして除去する場
合、超高純度窒素塔６０４に供給される蒸気も減少する
ことがある。これらの２つの処置の結果として、超高純
度窒素の生成に関連する規模、従って資本経費及び運転
経費も低減できる。別の実施例は、揮発性不純物（流れ
１１２）を含む高窒素留分のすべてをボイラー・凝縮器
６０８で実質的に凝縮して、更に濃縮、別の位置で揮発
性汚染物を除去する方法である。その場合には、パージ
は管路１１６経由では一切行わず、従って抜き取り位置
１１２と１１８の間のトレーは必要ない。
【００１９】図２乃至５は、他の実施例と、図１の超高
純度窒素塔における超高純度窒素生成物の発生法の他の
実施例の略図を示す。図１と同様の参照番号を共通の装
置と流れに使用し、塔分離に関する解説は、本方法と図
１の記述との間の有意の相違点に限った。
【００２０】図２を参照して、超高純度窒素塔６０４
は、第１塔６０２とほぼ同一の圧力で作動する。図１の
方法を想起し、窒素蒸気留分を第１塔６０２の上部から
除去して超高純度窒素塔６０４の中央部に導入される１
部もしくは全部で膨脹させる。入口空気圧にほとんど等
しい圧力での超高純度窒素生成物の回収達成には、図２
の方法が所望のボイルアップを超高純度窒素塔６０４で
もたらす機構として流入空気流れを利用する。詳述すれ
ば、本方法は、不純物のない、又その露点近くに冷却さ
れ管路２１０で示された空気流れを２つの留分に分離す
ることからなる。片方の留分を超高純度窒素塔６０４の
下部にあるボイラー・凝縮器６１０に、管路２３４を経
由して第１塔６０２の下部に導入される前記空気流れの
残部と共に管路２３２を経由して運搬する。管路２３２
経由してボイラー・凝縮器６１０に供給された入口空気
の若干量を凝縮して第１塔６０２に混合還流として中間
位置に導入する。
【００２１】図１の方法にあるように残留揮発性不純物
が含まれる高窒素蒸気留分を第１塔６０２の上部近辺で
発生させる。窒素蒸気留分を第１塔６０２の最上部か
ら、ボイラー・凝縮器６０８で凝縮される部分と共に管
路２１２を経由して除去する。図１の方法と同様に、残
留揮発性不純物に凝縮された高窒素蒸気の１部を第１塔
６０２の上部より管路２１８を経由して除去し、超高純
度窒素塔６０４の中間部に装入する。揮発性不純物を含
む高窒素留分の残量を管路２１４を経由して第１塔の最
上部に還流として戻される凝縮留分と共に、ボイラー・
凝縮器６０８で凝縮する。不純物に濃縮された未凝縮留
分をパージとして管路２１６を経由して除去する。別の
実施例として、流れ２１２をボイラー・凝縮器６１０で
完全に凝縮でき、パージは管路２１６を経由しては取り
出し得ない。その後、不純物を前記超高純度窒素塔から
除去することになる。オーバーヘッドを超高純度窒素塔
６０４から管路２２０を経由して除去し、ボイラー・凝
縮器６０８で部分凝縮する。凝縮部分を還流として、超
高純度窒素塔６０４の最上部に管路２２４経由して戻
す。この位置は、第１塔６０２から供給する残留不純物
が含まれる窒素蒸気留分の供給材料導入供給位置の上で
ある。未凝縮窒素留分を管路２２２経由パージ流れとし
て除去し、蒸留装置に戻す。前記パージ流れにある揮発
性不純物の高濃度のため、わずかに少量の窒素をパージ
として排気する必要がある。超高純度窒素生成物を一貫
蒸留装置から蒸気留分として管路２２６経由で除去す
る。純度の低い気体窒素を窒素塔６０２から管路２２７
を経由して入手する。
【００２２】図２における変法は、窒素蒸気留分のすべ
てを管路２１８を経由して超高純度窒素塔６０４に経路
を定めるので、管路２１２中の流量はほぼゼロになる。
この実施例では、ただ１つの窒素流れだけがボイラー・
凝縮器６０８で凝縮するものである。しかし、凝縮部分
（流れ２０４）は、この図２に示すように、前記超高純
度窒素塔６０４に還流として戻る一方の部分で分離され
るが、他方の部分は還流として第１塔６０２に戻され
る。
【００２３】図３は、大量の超高純度窒素を生成する図
２の方法の他の実施例を示す。本方法は、４つの塔を用
いて分離を達成する。すなわち、第１塔６０２、超高純
度窒素塔６０４、第３塔６０６及び第４塔６０７の４塔
である。空気供給を本装置に管路３１０を経由して導入
し、留分３３２と３２４に分割し、そこにおける留分３
３２をボイラー・凝縮器６１０に装入してボイルアップ
を付与する。結果としてできる凝縮空気流れをそこで分
離のため第１塔の中間位置に戻す。揮発性汚染物が含ま
れる高圧高窒素蒸気留分を管路３１８経由除去して、第
３塔６０６の下部に装入すると、そこでは揮発性成分の
若干が下降液体からストリップされる。高濃度の揮発性
不純物が含まれる高窒素蒸気留分を管路３２０経由除
去、ボイラー・凝縮器３１０で部分凝縮する。揮発性不
純物の多量に含まれる未凝縮窒素留分をパージとして管
路３２２経由、塔には戻すことなく除去する。流れ３２
０の残量を管路３２４経由して除去し、この凝縮留分を
還流として第３塔６０６に戻す。
【００２４】図１及び２の実施例におけるように、粗液
体酸素を第１塔から管路３２８経由除去して膨脹させ
る。過冷液体の１部をボイラー・凝縮器６１０で部分気
化させる。この実施例においては、蒸留トレーをボイラ
ー・凝縮器６１０の上に増設して第４塔を形成した。粗
液体酸素をこのように形成した第４塔６０７の上部に供
給して、上昇蒸気が僅かな溶解不純物でも下降粗液体酸
素からストリップする。蒸気流れ３３９をパージする。
ボイラー・凝縮器３１０からの酸素を含有する蒸気留分
を管路３４０経由除去して、水溜めの液体を管路３４６
経由除去する。これらの留分を結合して超高純度窒素塔
６０４の中間位置に導入する。前記塔６０４の下部から
の液体酸素を除去、膨脹させて窒素蒸気留分にボイラー
・凝縮器３４７で接触させて気化する。窒素留分を超高
純度窒素塔６０６の上部から管路３５０経由して除去す
る。揮発性成分を多量に含む未凝縮窒素留分をパージと
して管路３５２を経由して除去し、凝縮留分を管路３５
３を経由して超高純度窒素に戻す。
【００２５】第３塔６０６の下部からの液体を管路３５
４を経由して除去し、２部分に分割する。一方の部分を
第１塔６０２に管路３５６を経て還流として戻し、他方
の部分を等エンタルピーに膨脹させて、管路３５８を経
由して前記超高純度窒素塔６０４に導入する。この仕方
で、揮発性不純物が含まれる窒素蒸気を結局、供給材料
として超高純度窒素塔６０４に導入する。これは単に、
超高純度窒素塔６０４への導入に先立って、第３塔６０
６で最初の分離を受けたということである。超高純度気
体窒素生成物を管路３６０を経由、超高純度窒素塔６０
４の流れ３５８で示される供給位置の下の位置から除去
する。超高純度窒素塔６０４の上部に取り付けられたボ
イラー・凝縮器３４７の冷却は、液体酸素を超高純度窒
素塔６０４から管路３６２を経由除去し、その流れを超
高純度窒素塔６０４からのオーバーヘッドに接触させ等
エンタルピーに膨脹、気化させることでもたらされる。
その後、膨脹酸素を管路３３０経由、廃棄生成物として
排出する。
【００２６】図４は、図３の方法の他の実施例につき記
述する。本方法は結果として、比較的少量の超高純度窒
素しか生成しないが、酸素の共生産を伴うことである。
本方法は概ね、第３塔を普通の塔として保持し、高純度
の酸素を塔の下部より抜き取り、又標準純度、例えば５
ｐｐｍ以下の酸素を含む窒素生成物を塔からオーバーヘ
ッドとして抜き取る必要がある。詳述すれば、不純物を
含む高窒素留分を発生させる第１塔６０２に管路４１０
を経て導入する。その留分の１部を第１塔６０２から管
路４１２を経由して除去し、凝縮する。そのうえ、揮発
性不純物の多量に含まれた前記窒素留分をその部から管
路４１８を経由して除去して、超高純度窒素塔６０４で
沸騰をもたらし供給材料を提供する。１部分を管路４１
９を経て除去、膨脹させて超高純度窒素塔６０４の中間
位置で供給材料として装入する。残量を管路４２１によ
って運搬し、超高純度窒素塔６０４の下部のボイラー・
凝縮器６０８で凝縮する。管路４５４にある凝縮窒素留
分を第１塔６０２から抜き取った液体窒素流れ４５６と
結合させ、その結合流れ４５８を等エンタルピーに膨脹
させ還流として第３塔６０６の上部に装入する。図３の
方法の場合と同様、揮発性不純物を多量に含有する窒素
留分を超高純度窒素塔の上部から除去して、部分的に凝
縮する。未凝縮分をパージとして管路４２２を経て除去
し、凝縮部分を還流として管路４２４を経由して戻す。
第１塔６０２の下部からの粗液体酸素を管路４２８経由
除去し、１部を用いて超高純度窒素塔６０４の上部にあ
るボイラー・凝縮器６１０を駆動させる。僅かな液体及
び気化酸素も管路４３１及び４４０を経て除去し、結合
させて蒸留が行われる第３塔６０６の中間位置に装入す
る。高純度酸素（粗酸素よりも高い）を第３塔６０６の
下部から蒸気として管路４６６により回収する。管路４
２８からの酸素の残量を塔６０６の中間位置に装入す
る。数ある通常の窒素塔の場合と同様、廃棄流れを第３
塔６０６の上部から管路４６８経由抜き取って、標準純
度の窒素をオーバーヘッド生成物として管路４７０経由
除去する。超高純度窒素生成物を流れ４２６として超高
純度窒素塔６０４の下部から除去する。
【００２７】図５は、図１に記述した方法の更に他の実
施例であって、超高純度窒素を２つの圧力レベルで発生
させる必要がある。図５の方法も、酸素と超高純度窒素
の共生成を伴う。詳述すれば、空気を第１塔６０２に管
路５１０を経て導入し、そこで高窒素留分を発生させ、
第１塔６０２から管路５１２経由除去し、ボイラー・凝
縮器６０８で凝縮する。高窒素蒸気留分の１部を管路５
１８経由除去し、そこで１部を管路５１９を経て除去、
膨脹させ、超高純度窒素塔６０４の中間位置に装入す
る。残量を管路５２１経由して除去し、第３塔６０６の
下部に取り付けられたボイラー・凝縮器６１０で凝縮す
る。凝縮窒素留分のその部分を還流として第１塔６０２
に戻す。図４の方法の場合と同様に揮発性成分が多量に
含まれる窒素留分を超高純度窒素塔６０４から管路５２
７経由で除去し部分的に凝縮する。未凝縮分をパージと
して管路５２２を経て除去し、凝縮部分を塔６０４に管
路５２４経由で戻す。図１と２の実施例の場合のように
粗液体酸素を第１塔６０２から管路５２８を経て除去す
る。その圧力を弁により第３塔６０６の圧力に減じ、そ
の後それを相分離器５７２に送る。液体を相分離器５７
２で蒸気から分離し、その液体を第３塔６０６に管路５
５８を経て導入する。分離器５７２からの気化蒸気を廃
棄流れと混合する。超高純度気体窒素生成物を管路５７
０を経由して第３塔６０６から除去する。比較的高純度
酸素流れを管路５６８を経て第３塔６０６の下部から除
去する。
【００２８】図１乃至５のさらなる実施例を構想する。
例えば、図１は窒素を６０ｐｓｉａ（４．２ｋｇ／ｃｍ
２ ）以上の圧力で生成する単一蒸留塔窒素発生装置の変
形を示す。この実施例では、超高純度窒素は気体生成物
として示されるが、必要の場合は、超高純度の液体窒素
も、この超高純度窒素塔の下部から抜き取ることが可能
である。第１塔からの汚染窒素蒸気の抜き取り位置の上
の補助分離工程（トレーもしくは充填物）の使用は任意
である。この塔の上部に取り付けられたボイラー・凝縮
器からの揮発性汚染物パージを排除できる。しかし、パ
ージを取らない場合は、その時は、超高純度窒素塔にあ
る窒素からの軽質汚染物の除去に必要な蒸留器使用量は
増加することになる。
【００２９】図１の別の任意の実施例は、第１塔からの
汚染窒素蒸気流れの１部の抜き取りと、超高純度窒素塔
の上部に取り付けられたボイラー・凝縮器での凝縮、及
び液体の液体還流流れとして第１塔への復帰とを示す。
第１塔からの汚染蒸気の１部を超高純度窒素塔の上部に
取り付けられたボイラー・凝縮器で凝縮することと、凝
縮液を還流として第１塔へ戻すことで、超高純度窒素塔
における流量と、更にこの塔の下部に取り付けられたボ
イラー・凝縮器で必要とする熱使用も減らすことができ
る。その結果、超高純度窒素塔の直径と、下部ボイラー
・凝縮器の寸法を小さくして本方法を一層魅力のあるも
のにすることができる。分割すなわち、汚染窒素蒸気流
れを第１塔から抜き取ることが可能である１つの理由
は、超高純度窒素塔の下部で軽質不純物の下降液体をス
トリップするに必要な蒸気流量が相対的に小さい、すな
わち超高純度窒素塔の下部におけるＬ／Ｖが１よりずっ
と高い（普通は５より高い）。これは超高純度窒素塔の
下部におけるボイルアップの必要性を軽減させ又第１塔
からの若干の窒素蒸気を前記超高純度窒素塔の上部に取
り付けられたボイラー・凝縮器で直接凝縮させる。
【００３０】図２は超高純度窒素塔が第１塔の圧力と同
様の圧力で作動する実施例を示す。図２の方法では、２
種類の気体窒素生成物を生成する。気体窒素の大部分を
標準極低温法を代表する純度（標準純度窒素、例えば５
ｐｐｍ以下の酸素）で生成するが、残量を超高純度窒素
として生成する。第１塔の上部、そして通常の窒素生成
物抜き取り位置の上にトレーを付加することで、窒素よ
り重い不純物（たとえば酸素、アルゴン及び一酸化炭
素）の濃度を超高純度窒素塔の濃度に下げることができ
る。塔の圧力が同一であるという結果として、超高純度
窒素塔の下部は、第１塔の上部近辺から入手される窒素
流れではもはや沸騰させ得ない。従って、必要とされる
ボイルアップを、供給空気流れの１部を超高純度窒素塔
の下部に取り付けられたボイラー・凝縮器で凝縮して提
供する。別の例として、この熱効率の全部もしくは１部
を、熱交換により前記第１塔の下部からの高Ｏ２（粗液
体酸素）液に接触させて付与できる。超高純度窒素生成
物を超高純度窒素塔の下部から抜き取る。
【００３１】超高純度窒素塔の下部における熱効率が窒
素流れの凝縮によって付与される場合、超高純度窒素塔
と第１塔の圧力を同一に維持することが可能であること
は説明するに足る。このような場合、第１蒸留塔から得
られる気体窒素流れを熱入れして、増圧、再循環、冷却
その後、超高純度窒素塔の下部にあるボイラー・凝縮器
で凝縮する。
【００３２】図３では、第４塔におけるトレーの使用は
任意である。トレーを使用しない場合は、第３塔６０６
の上部にあるボイラー・凝縮器からの蒸気の全部を超高
純度塔に送る。気体パージは管路３３９を経由しては行
われない。
【００３３】図５は、酸素と超高純度窒素生成物の両生
成物を生成する実施例を記述する。ここでも超高純度窒
素塔と第１塔との間の関係は、超高純度窒素塔の上部か
らの窒素蒸気を、ここでは第３塔の下部にある比較的純
度の高い酸素に接して凝縮させる点を除き、図１に示さ
れたものに非常に類似している。そのうえ図５での、第
１塔からの粗液体酸素を分離器でフラッシュし、この分
離器からの液体を第３塔に供給する。蒸気を第３塔から
の廃棄流れと混合する。第３塔への液体窒素還流は超高
純度窒素塔の下部から来入するが、第１塔からではな
い。これらの２工程は第３塔の軽質物の濃度を極めて低
く維持し、従って第３塔の上部からの気体窒素は超高純
度のものである。任意として、充填物、トレーその他が
備わる塔を分離器５７２に取り換えて、揮発性不純物を
気相に濃縮し、液体供給流れ５５８の揮発性不純物の濃
度を最小化できる。
【００３４】
【発明の効果】要約すると、本発明において、第１塔に
おいて冷却供給空気を蒸留するときには、該第１塔の上
部付近に生ずる揮発性不純物の濃縮された窒素蒸気は、
超高純度窒素塔において適切に蒸留することにより揮発
性不純物の非常に少ない窒素流が得られることが認めら
れた。そしてこれは、超高純度窒素塔において要求され
る還流および蒸発作用と極低温空気分離を行う第１塔と
を適切に整合させることにより達成することができる。
より具体的には、汚染窒素蒸気流供給位置より上部の超
高純度窒素塔における分離工程において、窒素蒸気中に
揮発性不純物が濃縮するが、超高純度窒素塔上部区域を
１に近い還流率で操業するときは、該上部からの蒸気は
殆ど全量が凝縮され、その結果残部の未凝縮蒸気には、
例えば供給空気の１０００倍以上というような高濃度の
不揮発性不純物が含まれることになり、該蒸気流をパー
ジすることによって殆ど全量の不揮発性不純物を系外へ
除去することが可能となる。パージ流における不揮発性
不純物の濃度を高くしたために、該パージ流の流量をか
なり小さくすることができ、装置への供給空気に基づく
窒素の回収率を高くすることができるのである。
【００３５】超高純度窒素塔の上方に取り付けられたボ
イラー・凝縮器における凝縮作用は適当な工程液を沸騰
させることにより与えられる。代表的な例としては、こ
の液は第１塔底部からの粗液体酸素であり、しかしてそ
の圧力は第１塔での圧力以下である。他の例としては、
粗液体から誘導された液体もこのボイラー・凝縮器で沸
騰させることができる。このボイラー・凝縮器における
液体の沸騰操作を行うに当たっては、本発明の方法に有
害な影響を及ぼさないように該液体の選択を行うことが
重要である。
【００３６】超高純度窒素塔において汚染気体窒素供給
部付近に生成する液体窒素は、不揮発性不純物の濃度が
著しく低い。これは主要不揮発性汚染物質であるＨ２、
ＨｅおよびＮｅが窒素に対して著しく高い相対揮発性を
有しているためである。その結果として、超高純度窒素
塔の下部区域に下降する液体はきわめて不揮発性成分の
濃度が低く、上昇蒸気によって容易にこれらの不揮発性
成分をストリップすることができる。適切なストリッピ
ングを行うためには、超高純度窒素塔のストリッピング
を行う位置における液体の蒸気に対する流量比を１以
上、好ましくは５以上にする必要がある。この塔の底部
における沸騰作用には工程液流が採用される。この場合
において沸騰作用に第１塔の上部からの窒素流以外の液
流を用いるときは、第１塔におけると同様の圧力で超高
純度窒素の生産を行うことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】超高純度窒素を強化窒素回収率で発生させる実
施例の略図である。
【図２】図１の方法の他の実施例で超高純度窒素を空気
入口供給圧力で生成し、生成窒素の超高純度と標準純度
のレベル調整の能力を備えるものの略図である。
【図３】図１の方法の更に他の実施例で大量の超高純度
窒素を生成するものの略図である。
【図４】図１の更に別の実施例で超高純度の窒素と酸素
を生成するものの略図である。
【図５】超高純度窒素と酸素を発生させる略図である。
【符号の説明】
１１０ 供給空気流れ １１２ 管路（高圧窒素蒸気） １１４ 管路（凝縮窒素留分） １１６ 管路（未凝縮高圧窒素留分） １１８ 管路（窒素蒸気流れ） １２０ 管路（揮発性不純物含有高窒素留分） １２２ 管路（未凝縮気体パージ流れ） １２４ 管路（凝縮留分） １２６ 管路（超高純度窒素生成物） １２８ 管路（粗液体酸素） ２０８ ボイラー・凝縮器 ２１０ 管路（空気流れ） ２１２ 窒素蒸気留分 ２１４ 管路（凝縮留分） ２１６ 管路（未凝縮留分） ２１８ 管路（窒素蒸気留分） ２２０ オーバーヘッド ２２２ 管路（未凝縮部分） ２２４ 管路（凝縮部分） ２２６ 管路（超高純度窒素生成物） ２２７ 管路（気体窒素） ３１０ 管路（空気供給） ３１８ 管路（高圧高窒素蒸気留分） ３２０ 管路（高窒素蒸気留分） ３２２ 管路（揮発性不純物を多量に含む未凝縮窒素留
分） ３２４ 管路（３２０の残量流れ） ３２８ 管路（粗液体酸素） ３３０ 管路（気化酸素） ３３９ 管路（気体パージ） ３４０ 管路（酸素含有蒸気留分） ３４６ 管路（水溜めの液体） ３４７ ボイラー・凝縮器 ３５０ 管路（窒素留分） ３５２ 管路（揮発性成分を多量に含む窒素留分） ３５３ 管路（凝縮留分） ３５４ 管路（液体） ３５６ 管路（３５４の一方部分） ３５８ 管路（３５４の他方部分） ３６０ 管路（超高純度気体窒素） ３６２ 管路（液体酸素） ４１０ 空気供給流れ ４１２ 管路（高窒素留分） ４１８ 管路（揮発性不純物を多量に含む窒素留分） ４１９ 管路（４１８の１部） ４２０ 管路（揮発性不純物を多量に含む窒素留分） ４２１ 管路（４２０の残量） ４２２ 管路（未凝縮部分） ４２４ 管路（凝縮部分） ４２６ 管路（超高純度窒素生成物） ４２８ 管路（粗液体酸素） ４３１ 管路（液体及び蒸気酸素） ４４０ 管路（液体及び蒸気酸素） ４５４ 管路（凝縮窒素留分） ４５６ 管路（液体窒素流れ） ４５８ 管路（混合流れ） ４６６ 比較的高純度酸素 ４６８ 管路（廃棄流れ） ４７０ 管路（標準純度の窒素） ５１０ 空気供給流れ ５１２ 管路（高窒素留分） ５１８ 管路（高窒素蒸気留分） ５１９ 管路（５１８の１部分） ５２０ 管路（揮発性不純物の多量に含む窒素留分） ５２１ 管路（５２０の残量） ５２２ 管路（未凝縮部分） ５２４ 管路（凝縮部分） ５２８ 管路（粗液体酸素） ５５８ 管路（粗液体酸素） ５６８ 管路（比較的高純度酸素） ５７０ 管路（超高純度気体窒素生成物） ５７２ 相分離器 ６０２ 第１塔 ６０４ 超高純度窒素塔 ６０６ 第３塔 ６０７ 第４塔 ６０８ ボイラー・凝縮器 ６１０ ボイラー・凝縮器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−298789（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−194178（ＪＰ，Ａ) 特公 昭52−41754（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭56−33620（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 窒素、酸素および揮発性不純物並びに凝
    縮性不純物を含む空気を圧縮し、凝縮性不純物を除去し
    て冷却したものを供給空気として第１塔および超高純度
    窒素塔からなる一貫多塔式蒸留装置に導入して極低温で
    空気の分離を行い、超高純度窒素を高回収率で生産する
    方法であって、 （ａ）揮発性不純物を含む高窒素蒸気留分を前記第１塔
    の上部付近に、また粗液体酸素留分を前記第１塔の下部
    に発生させる工程と、 （ｂ）該高窒素蒸気留分を前記第１塔の上部区域から取
    り出す工程と、 （ｃ）該第１塔から取り出された高窒素蒸気留分の少な
    くとも一部を前記超高純度窒素塔に導入する工程と、 （ｄ）高窒素蒸気留分を該超高純度窒素塔の上部付近
    に、また超高純度液体窒素留分を該超高純度窒素塔の下
    部に発生させる工程と、 （ｅ）工程（ａ）または工程（ｄ）において発生させた
    高窒素蒸気留分の少なくとも一つを分縮させて凝縮留分
    と揮発性不純物を多量に含む未凝縮留分とを得る工程
    と、 （ｆ）工程（ｅ）で分縮させることにより得られた揮発
    性不純物を多量に含む未凝縮留分の少なくとも一つにお
    ける少なくとも一部をパージ流として除去する工程と、 （ｇ）工程（ｅ）で分縮により得られた凝縮留分の少な
    くとも一つにおける少なくとも一部を前記した二つの塔
    のうちの少なくとも一つに還流させる工程と、 （ｈ）前記第１塔の下部部分から粗液体酸素留分を取り
    出す工程と、 （ｉ）前記超高純度窒素塔から超高純度窒素留分を製品
    として取り出す工程とからなることを特徴とする空気の
    極低温分離法。
  2. 【請求項２】 前記工程（ｄ）において超高純度窒素塔
    の上部付近に発生した揮発性不純物を多量に含む高窒素
    蒸気留分は、取り出されて少なくともその一部は凝縮さ
    れ、また揮発性不純物を含む未凝縮窒素留分の一部をパ
    ージ流として除去することを特徴とする請求項１記載の
    空気の極低温分離法。
  3. 【請求項３】 超高純度窒素塔からの高窒素蒸気留分の
    凝縮において得られた凝縮留分の少なくとも一部を還流
    として該超高純度窒素塔に戻すことを特徴とする請求項
    ２記載の空気の極低温分離法。
  4. 【請求項４】 前記工程（ｂ）において第１塔の上部区
    域から取り出された高窒素蒸気留分の少なくとも一部を
    膨張させ、第１塔の圧力よりも低い圧力で超高純度窒素
    塔に導入することを特徴とする請求項３記載の空気の極
    低温分離法。
  5. 【請求項５】 前記第１塔で高窒素蒸気留分を発生さ
    せ、該窒素留分の少なくとも一部を該第１塔から取り出
    して凝縮させるとともに未凝縮留分をパージとして除去
    し、凝縮留分は還流として該第１塔に戻すことを特徴と
    する請求項４記載の空気の極低温分離法。
  6. 【請求項６】 前記超高純度窒素塔の操業圧力を第１塔
    の操業圧力よりも１０乃至５５ｐｓｉａ（０．７乃至
    ３．９ｋｇ／ｃｍ ２ （絶対圧力））低くすることを特徴
    とする請求項４記載の空気の極低温分離法。
  7. 【請求項７】 粗液体酸素製品の少なくとも一部を第１
    塔から抜き取り、これを該第１塔から得られた窒素蒸気
    留分に対し接触させて気化させることを特徴とする請求
    項４記載の空気の極低温分離法。
  8. 【請求項８】 粗液体酸素製品を第１塔から抜き取り、
    これを超高純度窒素塔から除去された揮発性不純物が多
    量に含まれる窒素蒸気留分に対し接触させて気化させる
    ことを特徴とする請求項６記載の空気の極低温分離法。
  9. 【請求項９】 供給空気を第１塔に導入する前にその一
    部を超高純度窒素塔中における蒸気発生操作を行わせる
    ために用いることを特徴とする請求項３記載の空気の極
    低温分離法。
  10. 【請求項１０】 前記第１塔における下部留分として得
    られた粗液体酸素留分の少なくとも一部を膨張させてボ
    イラー／凝縮器に導入し、前記超高純度窒素塔からの揮
    発性不純物多量に含む窒素蒸気の一部と接触させて気化
    することを特徴とする請求項３記載の空気の極低温分離
    法。
  11. 【請求項１１】 前記第１塔で発生させた窒素蒸気留分
    を製品として取り出すことを特徴とする請求項２記載の
    空気の極低温分離法。
  12. 【請求項１２】 前記超高純度窒素塔を第１塔とほぼ同
    様の圧力下で操業することを特徴とする請求項３記載の
    空気の極低温分離法。
  13. 【請求項１３】 蒸留装置において第３塔を設置するこ
    とを特徴とする請求項３記載の空気の極低温分離法。
  14. 【請求項１４】 前記工程（ｂ）で取り出された高窒素
    蒸気留分のうちの少なくとも一部を先に第３塔に導入
    し、その後前記超高純度窒素塔に導入することを特徴と
    する請求項１３記載の空気の極低温分離法。
  15. 【請求項１５】 前記供給空気の少なくとも一部を超高
    純度窒素塔における蒸気発生操作のために用いることを
    特徴とする請求項１３記載の空気の極低温分離法。
  16. 【請求項１６】 前記超高純度窒素塔の操業圧力を前記
    第１塔の操業圧力より１０乃至５５ｐｓｉａ（０．７乃
    至３．９ｋｇ／ｃｍ ２ （絶対圧力））低くすることを特
    徴とする請求項１４記載の空気の極低温分離法。
  17. 【請求項１７】 前記第１塔から粗液体酸素留分を抜き
    取り、これを前記第３塔から除去された揮発性不純物を
    多量に含む窒素蒸気留分と接触させて気化させてするこ
    とを特徴とする請求項１５記載の空気の極低温分離法。
  18. 【請求項１８】 前記粗液体酸素留分を膨張させて第４
    塔の上部に導入し、これにより生ずる気化酸素をパージ
    として除去し、またこれにより生ずる液体を該第４塔を
    下降させて、揮発性不純物を多量に含む窒素蒸気留分の
    凝縮において発生した気化酸素から揮発性不純物をスト
    リップすることを特徴とする請求項１７記載の空気の極
    低温分離法。
  19. 【請求項１９】 前記第１塔からの粗液体酸素を膨張さ
    せ、それから揮発性不純物を分離器中においてフラッシ
    ュさせることを特徴とする請求項１３記載の空気の極低
    温分離法。
  20. 【請求項２０】 前記分離器から得られた液体の少なく
    とも一部を前記第３塔の上部に戻すことを特徴とする請
    求項１９記載の空気の極低温分離法。
JP3358503A 1991-01-03 1991-12-27 空気の極低温分離法 Expired - Lifetime JPH0789016B2 (ja)

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