JPS6244189B2 - - Google Patents

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JPS6244189B2
JPS6244189B2 JP59089088A JP8908884A JPS6244189B2 JP S6244189 B2 JPS6244189 B2 JP S6244189B2 JP 59089088 A JP59089088 A JP 59089088A JP 8908884 A JP8908884 A JP 8908884A JP S6244189 B2 JPS6244189 B2 JP S6244189B2
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JP
Japan
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liquid nitrogen
nitrogen gas
nitrogen
gas
compressed air
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JP59089088A
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Japanese (ja)
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JPS60232471A (en
Inventor
Akira Yoshino
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Daido Sanso Co Ltd
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Daido Sanso Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は高純度窒素ガス製造装置に関するも
のである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] This invention relates to a high purity nitrogen gas production apparatus.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

電子工業では極めて多量の窒素ガスが使用され
ている。このため、安価な窒素ガスの供給が望ま
れ、その要望に応えるためにPSA方式が導入さ
れ、それによつて窒素ガスが製造され供給される
ようになつている。このPSA方式による窒素ガス
製造装置を第1図に示す。図において、1は空気
取入口、2は空気圧縮機、3はアフタークーラ
ー、3aは冷却水供給路、4は油水セパレーター
である。5は第1の吸着槽、6は第2の吸着槽で
あり、V1およびV2は空気作動弁で、空気圧縮機
2によつて圧縮された空気を弁作用により吸着槽
6に送り込む。V3およびV4は真空弁であり、吸
着槽6内を真空ポンプ6aの作用により真空状態
にする。6bは真空ポンプ6aに冷却水を供給す
る冷却パイプ、6cはサイレンサー、6dはその
排気パイプである。V5,V6,V7およびV9は空気
作動弁である。7は製品槽であり、パイプ8によ
り吸着槽5,6に接続されている。7aは製品窒
素ガス取出パイプ、7bは不純物分析計、7cは
流量計である。
The electronic industry uses extremely large amounts of nitrogen gas. Therefore, it is desired to supply nitrogen gas at low cost, and in order to meet this demand, the PSA method has been introduced, and nitrogen gas has been manufactured and supplied using this method. Figure 1 shows a nitrogen gas production device using this PSA method. In the figure, 1 is an air intake port, 2 is an air compressor, 3 is an aftercooler, 3a is a cooling water supply path, and 4 is an oil-water separator. 5 is a first adsorption tank, 6 is a second adsorption tank, V 1 and V 2 are air-operated valves, and air compressed by the air compressor 2 is sent into the adsorption tank 6 by valve action. V 3 and V 4 are vacuum valves, and the interior of the adsorption tank 6 is brought into a vacuum state by the action of the vacuum pump 6a. 6b is a cooling pipe that supplies cooling water to the vacuum pump 6a, 6c is a silencer, and 6d is its exhaust pipe. V 5 , V 6 , V 7 and V 9 are air operated valves. 7 is a product tank, which is connected to the adsorption tanks 5 and 6 through a pipe 8. 7a is a product nitrogen gas extraction pipe, 7b is an impurity analyzer, and 7c is a flow meter.

この窒素ガス製造装置は、空気圧縮機2により
空気を圧縮し、この空気圧縮機2に付随するアフ
タークーラー3によつて圧縮された空気を冷却し
てセパレーター4で凝縮水を除去し、空気作動弁
V1またはV2を経由させて吸着槽5,6に送入す
る。2基の吸着槽5,6はそれぞれ酸素吸着用の
カーボンモレキユラシーブを内蔵しており、これ
らの吸着槽5,6にはプレツシヤースイング方式
により1分間毎に交互に圧縮空気が送りこまれ
る。この場合、圧縮空気の送り込まれていない吸
着槽5,6は真空ポンプ6aの作用により内部が
真空状態にされる。すなわち、空気圧縮機2によ
り圧縮された空気は、一方の吸着槽5内に入りカ
ーボンモレキユラシーブによつてそのなかの酸素
分を吸着除去され、窒素ガスとなつて弁V5
V7,V9を経て製品槽7内に送られ、パイプ7a
から取り出される。この時、他方の吸着槽6は、
空気圧縮機2からの空気が弁V2の閉成によつて
遮断され、かつ弁V4の開成によつて内部が真空
ポンプ6aにより真空吸引される。その結果、カ
ーボンモレキユラシーブに吸着された酸素が吸引
除去されカーボンモレキユラシーブが再生され
る。このようにして、吸着槽5,6から交互に窒
素ガスが製品槽7に送られ製品窒素ガスが連続的
に得られる。
This nitrogen gas production device compresses air with an air compressor 2, cools the compressed air with an aftercooler 3 attached to the air compressor 2, and removes condensed water with a separator 4. valve
It is sent to the adsorption tanks 5 and 6 via V 1 or V 2 . The two adsorption tanks 5 and 6 each have a built-in carbon molecular sieve for oxygen adsorption, and compressed air is alternately fed into these adsorption tanks 5 and 6 every minute by a pressure swing system. . In this case, the adsorption tanks 5 and 6 to which compressed air is not fed are brought into a vacuum state by the action of the vacuum pump 6a. That is, the air compressed by the air compressor 2 enters one of the adsorption tanks 5, and the carbon molecular sieve adsorbs and removes the oxygen therein, and converts it into nitrogen gas, which passes through the valves V5 ,
It is sent into the product tank 7 through V 7 and V 9 , and is passed through the pipe 7a.
taken from. At this time, the other adsorption tank 6 is
Air from the air compressor 2 is shut off by closing the valve V2 , and the interior is evacuated by the vacuum pump 6a by opening the valve V4. As a result, the oxygen adsorbed on the carbon molecular sieve is removed by suction and the carbon molecular sieve is regenerated. In this way, nitrogen gas is alternately sent from the adsorption tanks 5 and 6 to the product tank 7, and product nitrogen gas is continuously obtained.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

上記の窒素ガス製造装置は、カーボンモレキユ
ラシーブが酸素を選択的に吸着するという特性を
利用して窒素ガスを製造するため、安価に窒素ガ
スを得ることができる。しかしながら、前記のよ
うに、2基の吸着槽5,6に1分間毎に交互に圧
縮空気を送り、それと同時に、他方の吸着槽内を
真空吸引するため、弁が多数必要になるととも
に、弁操作も煩雑になり故障が多発しやすいとい
う欠点を有している。そのため、2個1組の吸着
槽5,6を2組設け、1組を予備としなければな
らないのが実情である。したがつて、設備費がか
さむという欠点も有している。
The above-mentioned nitrogen gas production apparatus produces nitrogen gas by utilizing the characteristic of the carbon molecular sieve that selectively adsorbs oxygen, and therefore can obtain nitrogen gas at low cost. However, as mentioned above, compressed air is sent alternately to the two adsorption tanks 5 and 6 every minute, and at the same time, the inside of the other adsorption tank is vacuumed, which requires a large number of valves. The disadvantage is that the operation is complicated and failures are likely to occur frequently. Therefore, the reality is that two sets of two adsorption tanks 5 and 6 must be provided, and one set must be kept as a spare. Therefore, it also has the disadvantage of high equipment costs.

他方、従来の深冷液化方式の窒素ガス製造装置
は、圧縮機で圧縮された圧縮原料空気の冷却用熱
交換器の冷却のために、膨脹タービンを用い、こ
れを精留塔内に溜る液体空気(深冷液化分離によ
り低沸点の窒素はガスとして取り出され、残部が
酸素リツチな液体空気となつて溜る)から蒸発し
たガスの圧力で駆動するようになつている。とこ
ろが、膨脹タービンは回転速度が極めて大(数万
回/分)であつて負荷変動(製品窒素の取出量≪
需要量≫の変動)に対する追従運転が困難である
ため、負荷変動時に製品の純度がばらつくという
難点を有している。また、このものは高速回転す
るため機械構造上高精度が要求され、かつ高価で
あり、機構が複雑なため特別に養成した要員が必
要という難点も有している。すなわち、膨脹ター
ビンは高速回転部を有するため、上記のような諸
問題を生じるのであり、このような高速回転部を
有する膨脹タービンの除去に対して強い要望があ
つた。
On the other hand, conventional cryogenic liquefaction nitrogen gas production equipment uses an expansion turbine to cool the heat exchanger for cooling the compressed raw air compressed by the compressor, and uses the liquid accumulated in the rectification tower to cool the compressed raw air. It is powered by the pressure of gas evaporated from air (low boiling point nitrogen is extracted as a gas through cryogenic liquefaction separation, and the remainder accumulates as oxygen-rich liquid air). However, the rotation speed of expansion turbines is extremely high (tens of thousands of rotations/minute), and load fluctuations (amount of product nitrogen extracted <<
Since it is difficult to perform follow-up operation for fluctuations in the demand quantity, the purity of the product varies when the load fluctuates. Furthermore, since this device rotates at high speed, it requires high precision in its mechanical structure, is expensive, and has the disadvantage that specially trained personnel are required due to the complicated mechanism. That is, since the expansion turbine has a high-speed rotating section, the above-mentioned problems arise, and there has been a strong desire to eliminate the expansion turbine having such a high-speed rotating section.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

この発明は、外部より取り入れた空気を圧縮す
る空気圧縮手段と、この空気圧縮手段によつて圧
縮された圧縮空気中の炭酸ガスと水分とを除去す
る除去手段と、この除去手段を経た圧縮空気を超
低温に冷却する熱交換手段と、この熱交換手段に
より超低温に冷却された圧縮空気の一部を液化し
て内部に溜め窒素のみを上部側から気体として取
り出す精留塔を備えた窒素ガス製造装置におい
て、装置外から液体窒素の供給を受けこれを貯蔵
する液体窒素貯蔵手段と、この液体窒素貯蔵手段
内の液体窒素を冷熱発生用膨脹器からの発生冷熱
に代えて圧縮空気液化用の寒冷源として連続的に
上記熱交換手段に導く第1の導入路と、上記精留
塔から気体として取り出される窒素ガスを上記熱
交換手段を経由させ上記圧縮空気と熱交換させる
ことにより温度上昇させ製品窒素ガスとする窒素
ガス取出器と、液体窒素蒸発器と、上記液体窒素
貯蔵手段の液体窒素をこの液体窒素蒸発器に導く
第2の導入路と、上記液体窒素蒸発器で気化生成
し窒素ガスを製品窒素ガスとして上記窒素ガス取
出路内に案内する案内路を備えた高純度窒素ガス
製造装置をその要旨とするものである。
This invention provides air compression means for compressing air taken in from the outside, removal means for removing carbon dioxide and moisture from the compressed air compressed by the air compression means, and compressed air that has passed through the removal means. A nitrogen gas production system equipped with a heat exchange means that cools air to an ultra-low temperature, and a rectification column that liquefies a portion of the compressed air cooled to an ultra-low temperature by this heat exchange means, stores it inside, and extracts only nitrogen as a gas from the upper side. The apparatus includes a liquid nitrogen storage means for receiving and storing liquid nitrogen from outside the apparatus, and a liquid nitrogen storage means for storing the liquid nitrogen supplied from outside the apparatus, and a liquid nitrogen storage means for converting the liquid nitrogen in the liquid nitrogen storage means into cold heat generated from a cold heat generation expander to generate cold heat for liquefying compressed air. A first introduction path that continuously leads to the heat exchange means as a source, and nitrogen gas taken out as a gas from the rectification column through the heat exchange means and heat exchanged with the compressed air to raise the temperature of the product. a nitrogen gas extractor for producing nitrogen gas; a liquid nitrogen evaporator; a second introduction path for introducing liquid nitrogen from the liquid nitrogen storage means to the liquid nitrogen evaporator; The gist of the present invention is to provide a high-purity nitrogen gas production apparatus including a guide path for guiding nitrogen gas as product nitrogen gas into the nitrogen gas extraction path.

すなわち、この発明の高純度窒素ガス製造装置
は、液体窒素の蒸発熱を利用して、熱交換手段に
送り込まれる圧縮空気を冷却し、精留塔において
圧縮空気の一部を液化分離して窒素を気体のまま
で保持し、これを製品窒素ガスとして取り出すた
め、膨脹タービンが不要になり、膨脹タービンに
起因する上記負荷変動時における純度ばらつき等
の弊害を回避でき、かつ窒素ガスを安価に得るこ
とができるようになる。また、PSA方式のように
多数の弁を要しないため故障も少なくなる。その
うえ、この発明の装置は、液体窒素蒸発器と、第
2の導入路と、案内路とからなるバツクアツプ系
ラインを備えているため、装置の不調時にも、液
体窒素貯蔵手段から上記バツクアツプ系ラインに
液体窒素を供給して気化させ製品ガス化しうる。
したがつて、製品ガスの安定供給を実現しうる。
しかも、この装置は、上記液体窒素貯蔵手段を精
留塔ラインとバツクアツプ系ラインの双方の液体
窒素供給源として共用するため、設備費および設
置スペースの節約をも達成しうるようになる。
That is, the high-purity nitrogen gas production apparatus of the present invention uses the heat of vaporization of liquid nitrogen to cool the compressed air sent to the heat exchange means, liquefies and separates a part of the compressed air in the rectification column, and converts it into nitrogen. Since the nitrogen gas is retained as a gas and extracted as a product nitrogen gas, an expansion turbine is not required, and the disadvantages such as variation in purity caused by the expansion turbine during load fluctuations can be avoided, and nitrogen gas can be obtained at a low cost. You will be able to do this. Also, unlike the PSA system, it does not require a large number of valves, so there are fewer failures. Furthermore, since the apparatus of the present invention is equipped with a backup system line consisting of a liquid nitrogen evaporator, a second introduction path, and a guide path, even when the system is malfunctioning, the liquid nitrogen storage means can be connected to the backup system line. The product can be gasified by supplying liquid nitrogen to the product.
Therefore, stable supply of product gas can be realized.
Furthermore, since this device uses the liquid nitrogen storage means as a liquid nitrogen supply source for both the rectification column line and the backup line, it is possible to save equipment costs and installation space.

つぎに、この発明を実施例にもとづいて詳しく
説明する。
Next, the present invention will be explained in detail based on examples.

〔実施例〕〔Example〕

第2図はこの発明の一実施例を示している。図
において、9は空気圧縮機、10はドレン分離
器、11はフロン冷却器、12は2個1組の吸着
筒である。吸着筒12は内部にモレキユラシーブ
が充填されていて空気圧縮機9により圧縮された
空気中のH2OおよびCO2を吸着除去する作用をす
る。13は第1の熱交換器であり、吸着筒12に
よりH2OおよびCO2が吸着除去された圧縮空気が
送り込まれる。14は第2の熱交換器であり、第
1の熱交換器13を経た圧縮空気が送り込まれ
る。15は装置外から液体窒素の供給を受けこれ
を貯蔵する液体窒素貯槽であり、内部の液体窒素
を第1の導入路パイプ16を経て第2の熱交換器
14へ送りこみ、第2の熱交換器14中に送り込
まれた圧縮空気と熱交換させ、ついで第1の熱交
換器13内に送り込んでそこでも第1の熱交換器
13に送り込まれた圧縮空気と熱交換させて気化
させるようになつている。第1の熱交換器13に
よつて気化された液体窒素は、メインパイプ(取
出路)17内に送り込まれるようになつている。
FIG. 2 shows an embodiment of the invention. In the figure, 9 is an air compressor, 10 is a drain separator, 11 is a fluorocarbon cooler, and 12 is a set of two adsorption cylinders. The adsorption cylinder 12 is filled with a molecular sieve and functions to adsorb and remove H 2 O and CO 2 from the air compressed by the air compressor 9. 13 is a first heat exchanger, into which compressed air from which H 2 O and CO 2 have been adsorbed and removed by the adsorption column 12 is sent. 14 is a second heat exchanger, into which the compressed air that has passed through the first heat exchanger 13 is sent. Reference numeral 15 denotes a liquid nitrogen storage tank that receives liquid nitrogen from outside the device and stores it.The liquid nitrogen inside is sent to the second heat exchanger 14 through the first introduction path pipe 16, and the liquid nitrogen is transferred to the second heat exchanger 14. It exchanges heat with the compressed air sent into the exchanger 14, and then into the first heat exchanger 13, where it also exchanges heat with the compressed air sent into the first heat exchanger 13 and is vaporized. It's getting old. The liquid nitrogen vaporized by the first heat exchanger 13 is sent into a main pipe (takeout path) 17.

精留塔18は、下部から、第1および第2の熱
交換器13,14を経て超抵温(約−170℃)に
冷却された圧縮空気を取り込み、上昇させる過程
で圧縮空気中の酸素(沸点−183℃)を液化し落
下させて底部に溜め、窒素(沸点−196℃)を気
体状態で上部に溜めそこから排出するようになつ
ている。18aは第1の案内パイプで、メインパ
イプ17の一部をなしており、精留塔18の上部
から排出された超低温の窒素ガスを第2、第1の
熱交換器14,13に案内し、そこに送り込まれ
る圧縮空気と熱交換させて常温にしメインパイプ
17に送り込む作用をする。18bは精留塔パイ
プで、精留塔18の下部に溜つた液体空気(液体
酸素が主成分である液体窒素もかなり混入してい
る)を、精留塔18の上部に設けられ、パイプ1
8cを介して大気と連通している蛇行状のパイプ
18dに案内して気化させ、そのパイプ18dを
液体窒素の沸点以下の温度に冷却する作用をす
る。18cはそのパイプ18dの冷却を終えた液
体窒素を第2および第1の熱交換器14,13に
送り込む第2の案内パイプである。第2および第
1の熱交換器14,13で熱交換(熱交換器1
4,13内の圧縮空気の冷却)を終えた液体窒素
は気化して第1の熱交換器13から矢印のように
放出されるようになつている。19はバツクアツ
プ系ラインであり、液体窒素蒸発器20、これに
上記液体窒素貯槽15から液体窒素を供給する第
2の導入路パイプ30a、上記液体窒素蒸発器2
0で気化生成した窒素ガスをメインパイプ17に
送入する案内パイプ30b、この案内パイプ30
bに設けられた圧力調節弁30cから構成されて
いる。上記圧力調節弁30cは、2次側(使用
側)の圧力が設定圧力より下がると、弁を開き、
または弁の開度を調節し、2次側の圧力が設定圧
力を保つよう作用する。このバツクアツプ系ライ
ンM19では、精留塔ラインが故障したり、また
は製品窒素ガスの需要量が大幅に増加したりして
メインパイプ17内の圧力が下がると、上記圧力
調節弁30cが開成作動するため、上記液体窒素
貯槽15から液体窒素が液体窒素蒸発器20に流
れて気化し、その生成気化窒素ガスが製品窒素ガ
スとして上記メインパイプ17内に流入するよう
になつている。なお、上記第1および第2の熱交
換器13,14ならびに精留塔18は一点鎖線で
示す真空保冷函内に収容され真空断熱されてい
る。このように精留塔18を真空断熱すると、精
留精度が向上するようになり、製品窒素ガスの純
度向上効果が得られるようになる。これを第3図
を参照して説明する。すなわち、第3図aは精留
塔18の部分的拡大図を示しており、18eは精
留棚、18gは液体空気、18hは気化ガス、1
8fは精留塔壁面を示している。この状態におい
て、精留塔18が真空断熱されていないと、精留
塔壁面18fから内部への熱侵入により、精留塔
壁面18f近傍の液体空気の温度は、第3図bの
曲線aに示すように高くなり、それに伴つて、液
体空気中の低沸点成分である窒素のみならず高沸
点成分である酸素がかなり蒸発し始め気化ガス中
の酸素ガス濃度が第3図cの曲線aに示すように
高くなる。すなわち、これにより気化ガス中に不
純酸素が多くなるため精留効率が悪くなる。これ
に対して、精留塔18が真空断熱されていると、
精留塔壁面18fからの熱侵入が少なくなるた
め、精留塔壁面18f近傍の液体空気の温度は第
3図bに曲線bで示すようにあまり高くならず、
したがつて、酸素の蒸発も殆どなくなり気化ガス
中の酸素ガス濃度が第3図cの曲線bで示すよう
に大幅に低くなる。そのため、精留効率が良くな
る。つまり真空断熱することにより、得られる製
品窒素ガスの純度は、しない場合に比べて大幅に
高くなるのである。また、このように精留塔18
を真空断熱することにより、休止状態から定常運
転へのスタートアツプが早くなるという2次的な
効果も得られるようになる。これは常圧断熱方式
に比べて断熱材の熱容量が殆どなく冷熱のロスが
極めて少ないからである。
The rectification column 18 takes in compressed air cooled to an extremely low temperature (approximately -170°C) from the bottom through the first and second heat exchangers 13 and 14, and in the process of raising it, oxygen in the compressed air is removed. (boiling point -183°C) is liquefied, dropped and stored at the bottom, and nitrogen (boiling point -196°C) is stored in the upper part in a gaseous state and discharged from there. 18a is a first guide pipe, which is a part of the main pipe 17, and guides the ultra-low temperature nitrogen gas discharged from the upper part of the rectification column 18 to the second and first heat exchangers 14 and 13. , exchanges heat with the compressed air sent there to bring it to room temperature and send it into the main pipe 17. Reference numeral 18b denotes a rectification column pipe, which is installed at the top of the rectification column 18 to transfer the liquid air accumulated at the bottom of the rectification column 18 (liquid nitrogen, the main component of which is liquid oxygen, to a considerable extent) into the rectification column 18.
It is guided to a meandering pipe 18d that communicates with the atmosphere through a pipe 8c, where it is vaporized, and serves to cool the pipe 18d to a temperature below the boiling point of liquid nitrogen. 18c is a second guide pipe that sends the liquid nitrogen that has been cooled in the pipe 18d to the second and first heat exchangers 14 and 13. Heat exchange between the second and first heat exchangers 14 and 13 (heat exchanger 1
The liquid nitrogen that has finished cooling the compressed air in the first heat exchanger 13 is vaporized and discharged from the first heat exchanger 13 as shown by the arrow. Reference numeral 19 denotes a backup system line, which includes a liquid nitrogen evaporator 20, a second introduction path pipe 30a for supplying liquid nitrogen from the liquid nitrogen storage tank 15 to the liquid nitrogen evaporator 20, and the liquid nitrogen evaporator 2.
A guide pipe 30b that sends the nitrogen gas vaporized at 0 to the main pipe 17, this guide pipe 30
It consists of a pressure regulating valve 30c provided at b. The pressure regulating valve 30c opens when the pressure on the secondary side (use side) falls below the set pressure.
Alternatively, the opening degree of the valve is adjusted to maintain the pressure on the secondary side at the set pressure. In the backup system line M19, when the pressure inside the main pipe 17 decreases due to a breakdown in the rectification column line or a significant increase in the demand for product nitrogen gas, the pressure regulating valve 30c is opened. Therefore, liquid nitrogen flows from the liquid nitrogen storage tank 15 to the liquid nitrogen evaporator 20 and is vaporized, and the resulting vaporized nitrogen gas flows into the main pipe 17 as product nitrogen gas. The first and second heat exchangers 13 and 14 and the rectification column 18 are housed in a vacuum cold box shown by a dashed line and are vacuum insulated. When the rectification column 18 is vacuum insulated in this way, the accuracy of rectification is improved, and the effect of improving the purity of the product nitrogen gas can be obtained. This will be explained with reference to FIG. That is, FIG. 3a shows a partially enlarged view of the rectification column 18, in which 18e is a rectification shelf, 18g is liquid air, 18h is a vaporized gas, 1
8f indicates the wall surface of the rectification column. In this state, if the rectification column 18 is not vacuum insulated, the temperature of the liquid air near the rectification column wall 18f will change to curve a in FIG. 3b due to heat intrusion from the rectification column wall 18f. As the temperature increases as shown in Figure 3, the concentration of oxygen gas in the vaporized gas reaches curve a in Figure 3c. It becomes higher as shown. That is, this increases the amount of impure oxygen in the vaporized gas, resulting in poor rectification efficiency. On the other hand, if the rectification column 18 is vacuum insulated,
Since the heat intrusion from the rectification column wall 18f is reduced, the temperature of the liquid air near the rectification column wall 18f does not become very high as shown by curve b in FIG. 3b.
Therefore, almost no oxygen evaporates, and the oxygen gas concentration in the vaporized gas becomes significantly lower as shown by curve b in FIG. 3c. Therefore, rectification efficiency improves. In other words, by providing vacuum insulation, the purity of the product nitrogen gas obtained is significantly higher than in the case without vacuum insulation. In addition, in this way, the rectification tower 18
By vacuum insulating the system, a secondary effect can also be obtained, which is that the start-up from a rest state to steady operation becomes faster. This is because the thermal insulation material has almost no heat capacity and the loss of cooling and heat is extremely small compared to the normal pressure insulation method.

この装置は、つぎのようにして製品窒素ガスを
製造する。すなわち、空気圧縮機9により空気を
圧縮し、ドレン分離器10により圧縮された空気
中の水分を除去してフロン冷却器11により冷却
し、その状態でモレキユラシーブが充填されてい
る吸着筒12に送り込み、空気中のH2Oおよび
CO2を吸着除去する。ついで、H2O、CO2が吸着
除去された圧縮空気を第1の熱交換器13および
第2の熱交換器14に送り込んで超低温に冷却
し、精留塔18の下部から精留塔18内に送り込
む。そして、窒素と酸素の沸点の差(酸素の沸点
−183℃、窒素の沸点−196℃)を利用して空気中
の酸素を液化し、窒素を気体のまま取り出して第
1の熱交換器13に送り込み常温近くまで昇温さ
せメインパイプ17から窒素ガスとして取り出
す。この場合、液体窒素貯槽15内の液体窒素
は、第1および第2の熱交換器13,14の寒冷
源として作用し、それ自身は気化してメインパイ
プ17内に送り込まれ、上記精留塔18から得ら
れる空気中の窒素ガスと合わされ製品窒素ガスと
して取り出される。このようにして得られる製品
窒素ガスは超高純度のものである。
This device produces product nitrogen gas in the following manner. That is, air is compressed by an air compressor 9, moisture in the compressed air is removed by a drain separator 10, and cooled by a fluorocarbon cooler 11. In this state, the air is sent to an adsorption column 12 filled with molecular sieve. , H 2 O in air and
Adsorbs and removes CO 2 . Then, the compressed air from which H 2 O and CO 2 have been adsorbed and removed is sent to the first heat exchanger 13 and the second heat exchanger 14 to be cooled to an ultra-low temperature, and then passed from the lower part of the rectification column 18 to the rectification column 18. send it inside. Then, the oxygen in the air is liquefied by utilizing the difference in boiling point between nitrogen and oxygen (the boiling point of oxygen is -183°C, the boiling point of nitrogen is -196°C), and the nitrogen is taken out as a gas and transferred to the first heat exchanger 13. The nitrogen gas is fed into the tank, heated to near room temperature, and taken out from the main pipe 17 as nitrogen gas. In this case, the liquid nitrogen in the liquid nitrogen storage tank 15 acts as a cold source for the first and second heat exchangers 13 and 14, and is vaporized and sent into the main pipe 17, and is then vaporized into the rectification column. It is combined with the nitrogen gas in the air obtained from step 18 and taken out as a product nitrogen gas. The product nitrogen gas thus obtained is of ultra-high purity.

このように、この高純度窒素ガス製造装置によ
れば、液体窒素の蒸発熱を利用して圧縮空気を冷
却し、それを真空断熱されている精留塔18に送
り込んで酸素等を分離し窒素のみを取り出し、こ
れを寒冷源となつた液体窒素(気体状になつてい
る)と合わせて製品窒素ガスとするため、膨脹タ
ービンに起因する前記弊害を全く生じず、極めて
安価に、かつ高純度の液体窒素を得ることができ
る。
As described above, according to this high-purity nitrogen gas production device, compressed air is cooled using the heat of vaporization of liquid nitrogen, and is sent to the vacuum-insulated rectification column 18 to separate oxygen, etc., and produce nitrogen. The nitrogen gas is removed and combined with liquid nitrogen (in gaseous form), which serves as a cooling source, to produce nitrogen gas, which eliminates the above-mentioned disadvantages caused by expansion turbines and is extremely inexpensive and highly pure. of liquid nitrogen can be obtained.

すなわち、上記真空断熱されている精留塔18
を高精度に設定することにより、純度99.999%の
窒素ガスを純度ばらつきなく得ることができるよ
うになる。これに対して、PSA方式の窒素ガス製
造装置では、たかだか99.3%の純度のものしか得
られないのであり、膨脹タービンを用いる深冷液
化分離装置では負荷変動時に純度がばらつくので
ある。そのうえ、この高純度窒素ガス製造装置
は、製品窒素ガスの需要量の大幅増加時等の精留
塔ラインでは対応できないような場合、もしくは
精留塔ラインの故障によつて精留塔18から製品
窒素ガスが得られなくなつたりした時等に、バツ
クアツプ系ライン19が作動して液体窒素貯槽1
5内の液体窒素を直接蒸発器20で気化し、これ
を製品窒素ガスとしてメインパイプ17に流すた
め、需要量の大幅増加時における製品窒素ガスの
純度低下現象の発生や、製品窒素ガス供給のとだ
えが回避され、常時安定に製品窒素ガスを供給し
うるのであり、これが大きな特徴である。しか
も、この装置は、1基の液体窒素貯槽15を、精
留塔ラインとバツクアツプ系ラインの双方の貯槽
として共用するため、設備費を大幅に節約できる
と同時に、液体窒素貯槽15の設置スペースを小
さくでき、装置全体のコンパクト化を実現できる
のであり、これも大きな特徴である。
That is, the vacuum-insulated rectification column 18
By setting with high precision, it becomes possible to obtain nitrogen gas with a purity of 99.999% without any variation in purity. On the other hand, PSA nitrogen gas production equipment can only produce nitrogen with a purity of 99.3% at most, and cryogenic liquefaction separation equipment that uses an expansion turbine has fluctuations in purity when the load fluctuates. In addition, this high-purity nitrogen gas production equipment can be used in cases where the rectification column line cannot cope with a significant increase in the demand for product nitrogen gas, or when a malfunction occurs in the rectification column line. When nitrogen gas cannot be obtained, the backup system line 19 is activated and the liquid nitrogen storage tank 1 is
5 is directly vaporized in the evaporator 20 and then flows into the main pipe 17 as product nitrogen gas. This prevents the occurrence of a decrease in the purity of the product nitrogen gas when demand increases significantly, and the problem of product nitrogen gas supply. Stagnation is avoided and product nitrogen gas can be constantly and stably supplied, which is a major feature. Furthermore, since this device uses one liquid nitrogen storage tank 15 as a storage tank for both the rectification column line and the backup system line, it is possible to significantly reduce equipment costs and at the same time save installation space for the liquid nitrogen storage tank 15. This is also a major feature, as it can be made smaller and the entire device can be made more compact.

上記のように、この発明の高純度窒素ガス製造
装置によれば高純度の窒素ガスが安定な状態で得
られるため、それをそのまま電子工業向けにする
ことができる。そして、このガスには炭酸ガスが
含まれていない(製造装置内で除去されている)
ため、炭酸ガス用の吸着槽を別個に装備する必要
がない。さらに、少量の液体窒素を供給するだけ
で大量の窒素ガスが得られるようになる。すなわ
ち、この発明の高純度窒素ガス製造装置によれ
ば、液体窒素貯槽15から100Nm3(ガス換算)
の液体窒素を熱交換器13,14に送り込むこと
により、1000Nm3の製品窒素ガスを得ることがで
きる。このように、この製造装置によれば少量の
液体窒素を供給するだけで、その10倍の製品窒素
ガスが得られるようになるのである。したがつ
て、極めて安価な窒素ガスが得られるようにな
る。また、PSA方式や膨脹タービン使用の従来の
深冷液化分離方式による窒素ガス製造装置に比べ
て、装置が簡単であるため装置全体が安価であ
り、かつ多数の弁等も不要なため、装置の信頼度
が大である。また、膨脹タービンに起因する特別
な要員も不要になる。
As described above, according to the high-purity nitrogen gas production apparatus of the present invention, high-purity nitrogen gas can be obtained in a stable state, so it can be directly used in the electronic industry. And this gas does not contain carbon dioxide (it is removed in the manufacturing equipment)
Therefore, there is no need to separately equip an adsorption tank for carbon dioxide gas. Furthermore, a large amount of nitrogen gas can be obtained by simply supplying a small amount of liquid nitrogen. That is, according to the high-purity nitrogen gas production apparatus of the present invention, 100Nm 3 (gas equivalent) from the liquid nitrogen storage tank 15
By sending 1000 Nm 3 of liquid nitrogen into the heat exchangers 13 and 14, 1000 Nm 3 of product nitrogen gas can be obtained. In this way, with this production equipment, by supplying only a small amount of liquid nitrogen, 10 times as much product nitrogen gas can be obtained. Therefore, extremely cheap nitrogen gas can be obtained. In addition, compared to nitrogen gas production equipment using the PSA method or the conventional cryogenic liquefaction separation method that uses an expansion turbine, the equipment is simple and inexpensive, and it does not require a large number of valves. High reliability. It also eliminates the need for special personnel due to the expansion turbine.

なお、第2図においては、液体窒素貯槽15内
の液体窒素で、第2、第1の熱交換器14,13
を冷却したのち、気化した液体窒素をメインパイ
プ17に導き製品窒素ガスと併せる例を示してい
るが、第4図に示すように適宜大気中に放出する
ようにしてもよい。この場合には、液体窒素が有
効利用されないため、製品窒素ガスのコストはや
や高くなる。
In addition, in FIG. 2, the second and first heat exchangers 14 and 13 are heated with liquid nitrogen in the liquid nitrogen storage tank 15.
Although an example is shown in which the vaporized liquid nitrogen is led to the main pipe 17 and combined with the product nitrogen gas after being cooled, it may be appropriately released into the atmosphere as shown in FIG. In this case, the liquid nitrogen is not effectively utilized, so the cost of the product nitrogen gas becomes somewhat high.

5図は他の実施例を示している。 Figure 5 shows another embodiment.

すなわち、この高純度窒素ガス製造装置は、第
1の案内パイプ18aに、超低温において酸素お
よび一酸化炭素を選択的に吸着する吸着剤内蔵の
酸素吸着筒27aを設けている。それ以外の部分
は第3図の装置と実質的に同じであるから相当部
分に同一符号を付して説明を省略する。
That is, in this high-purity nitrogen gas production apparatus, the first guide pipe 18a is provided with an oxygen adsorption column 27a containing a built-in adsorbent that selectively adsorbs oxygen and carbon monoxide at extremely low temperatures. Since the other parts are substantially the same as the apparatus shown in FIG. 3, the corresponding parts are given the same reference numerals and the explanation thereof will be omitted.

上記吸着剤としては、例えば3Å、4Åもしく
は5Åの細孔径をもつ合成ゼオライト3A、4Aも
しくは5A(モレキユラシーブ3A、4A、5A、ユ
ニオンカーバイト社製)が用いられる。この合成
ゼオライト3A、4A、5Aは、それぞれ第6図に示
すように、超低温における酸素および一酸化炭素
(第6図では示していないが同図のO2曲線と同様
の曲線を示す)に対する優れた選択吸着性を有し
ている。したがつて、精留塔18の上部から得ら
れる窒素ガス中の上記不純分が除去され、製品窒
素ガスの純度が一層向上する。また、この装置
は、液体窒素貯槽15の液体窒素の気化によつて
生じた窒素ガスも圧縮空気から得られた窒素ガス
と同様に酸素吸着筒27aを通過させるため、液
体窒素貯槽15の液体窒素に不純酸素および一酸
化炭素が混入しているようなときでも、得られる
製品窒素ガスの純度が下がらないという効果を奏
する。この場合、酸素吸着筒27a内へ導入され
る超低温窒素ガス中の不純酸素および一酸化炭素
量が精留塔18を経ることによりすでに低レベル
になつているため、吸着される酸素および一酸化
炭素量は微量である。したがつて、吸着筒も1基
のみで足り、ゼオライトの再生も年1回で充分な
のである。
As the adsorbent, for example, synthetic zeolite 3A, 4A or 5A (Molecular Sieve 3A, 4A, 5A, manufactured by Union Carbide) having a pore diameter of 3 Å, 4 Å or 5 Å is used. As shown in Figure 6, these synthetic zeolites 3A, 4A, and 5A have excellent resistance to oxygen and carbon monoxide at extremely low temperatures (although not shown in Figure 6, they show curves similar to the O 2 curve in the same figure). It has selective adsorption properties. Therefore, the impurities in the nitrogen gas obtained from the upper part of the rectification column 18 are removed, and the purity of the product nitrogen gas is further improved. In addition, in this device, the nitrogen gas generated by vaporizing the liquid nitrogen in the liquid nitrogen storage tank 15 also passes through the oxygen adsorption column 27a in the same way as the nitrogen gas obtained from compressed air. Even when the nitrogen gas is mixed with impure oxygen and carbon monoxide, the purity of the resulting nitrogen gas product does not decrease. In this case, since the amount of impure oxygen and carbon monoxide in the ultra-low temperature nitrogen gas introduced into the oxygen adsorption column 27a has already reached a low level after passing through the rectification column 18, the amount of oxygen and carbon monoxide to be adsorbed is The amount is tiny. Therefore, only one adsorption column is required, and zeolite regeneration once a year is sufficient.

なお、上記各実施例において用いる精留塔18
に代えて、他の形式の精留塔を用いても、同様の
効果が得られることはいうまでもない。
In addition, the rectification column 18 used in each of the above examples
It goes without saying that similar effects can be obtained by using other types of rectification columns instead.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上のように、この発明の高純度窒素ガス製造
装置は、膨脹タービンを用いず、それに代えて何
ら回転部を持たない液体窒素貯槽のような液体窒
素貯蔵手段を用いるため、装置全体として回転部
がなくなり故障が全く生じない。また、PSA方式
のように多数の弁を備えていないため弁にもとづ
く故障も生じない、しかも膨脹タービンは高速回
転機器であるため、負荷変動(製品窒素ガスの取
出量の変化)に対するきめ細かな追従運転が困難
であるところ、この発明の装置は、膨脹タービン
に代えて液体窒素貯槽を用い、供給量のきめ細か
い調節が可能な液体窒素を寒冷源として用いるた
め、負荷変動に対するきめ細かな追従が可能とな
り、純度が安定していて極めて高い窒素ガスを製
造しうるようになる。特に、この発明の装置は、
液体窒素貯蔵手段から熱交換手段に液体窒素を供
給するものであり、この導入路が精留塔ラインか
ら独立しているため、熱移動のみの制御が可能で
あり、精留塔内の圧力変動を考慮せずに運転でき
るという利点がある。そのうえ、この発明の高純
度窒素ガス製造装置は、装置の不調時に作動する
バツクアツプ系ラインを備えているため、常時、
製品窒素の安定供給をなしうる。しかも、この装
置は、1基の液体窒素貯蔵手段を、精留塔ライン
とバツクアツプ系ラインの双方の液体窒素貯蔵手
段として共用するため、設備費を大幅に節約でき
ると同時に、液体窒素貯槽等の液体窒素貯蔵手段
の設置スペースを小さくでき、装置全体のコンパ
クト化を実現できるのであり、これが大きな特徴
である。
As described above, the high-purity nitrogen gas production device of the present invention does not use an expansion turbine, but instead uses a liquid nitrogen storage means such as a liquid nitrogen storage tank that does not have any rotating parts, so the entire device has no rotating parts. There will be no failures at all. In addition, unlike the PSA system, it does not have a large number of valves, so valve-related failures do not occur.Furthermore, since the expansion turbine is a high-speed rotating device, it can closely follow load fluctuations (changes in the amount of product nitrogen gas taken out). Although operation is difficult, the device of this invention uses a liquid nitrogen storage tank instead of an expansion turbine, and uses liquid nitrogen as a cooling source whose supply amount can be finely adjusted, making it possible to closely follow load fluctuations. , it becomes possible to produce nitrogen gas with stable and extremely high purity. In particular, the device of this invention
Liquid nitrogen is supplied from the liquid nitrogen storage means to the heat exchange means, and since this introduction path is independent from the rectification column line, it is possible to control only heat transfer, and pressure fluctuations within the rectification column can be controlled. It has the advantage of being able to be driven without having to take this into account. Furthermore, since the high-purity nitrogen gas production device of the present invention is equipped with a backup line that operates when the device malfunctions,
A stable supply of product nitrogen can be achieved. Furthermore, this device uses one liquid nitrogen storage means for both the rectification column line and the backup system line, so it is possible to significantly reduce equipment costs, and at the same time, it is possible to save a lot of equipment costs. The installation space for the liquid nitrogen storage means can be reduced, and the entire device can be made more compact, which is a major feature.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は従来例の説明図、第2図はこの発明の
一実施例の構成図、第3図は真空断熱による精留
効果の向上の説明図、第4図は第2図の変形例の
説明図、第5図は他の実施例の構成図、第6図は
それに用いる合成ゼオライトの特性曲線図であ
る。 9……空気圧縮機、12……吸着筒、13,1
4……熱交換器、15……液体窒素貯槽、17…
…メインパイプ、18……精留塔、19……バツ
クアツプ系ライン、20……液体窒素蒸発器、3
0a……第2の導入路パイプ、30b……案内パ
イプ、30c……圧力調節弁。
Fig. 1 is an explanatory diagram of a conventional example, Fig. 2 is a configuration diagram of an embodiment of the present invention, Fig. 3 is an explanatory diagram of improvement of rectification effect by vacuum insulation, and Fig. 4 is a modification of Fig. 2. FIG. 5 is a block diagram of another example, and FIG. 6 is a characteristic curve diagram of a synthetic zeolite used therein. 9...Air compressor, 12...Adsorption cylinder, 13,1
4... Heat exchanger, 15... Liquid nitrogen storage tank, 17...
... Main pipe, 18 ... Rectification column, 19 ... Backup system line, 20 ... Liquid nitrogen evaporator, 3
0a...Second introduction pipe, 30b...Guide pipe, 30c...Pressure control valve.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 外部より取り入れた空気を圧縮する空気圧縮
手段と、この空気圧縮手段によつて圧縮された圧
縮空気中の炭酸ガスと水分とを除去する除去手段
と、この除去手段を経た圧縮空気を超低温に冷却
する熱交換手段と、この熱交換手段により超低温
に冷却された圧縮空気の一部を液化して内部に溜
め窒素のみを上部側から気体として取り出す精留
塔を備えた窒素ガス製造装置において、装置外か
ら液体窒素の供給を受けこれを貯蔵する液体窒素
貯蔵手段と、この液体窒素貯蔵手段内の液体窒素
を冷熱発生用膨脹器からの発生冷熱に代えて圧縮
空気液化用の寒冷源として連続的に上記熱交換手
段に導く第1の導入路と、上記精留塔から気体と
して取り出される窒素ガスを上記熱交換手段を経
由させ上記圧縮空気と熱交換させることにより温
度上昇させ製品窒素ガスとする窒素ガス取出路
と、液体窒素蒸発器と、上記液体窒素貯蔵手段の
液体窒素をこの液体窒素蒸発器に導く第2の導入
路と、上記液体窒素蒸発器で気化生成した窒素ガ
スを製品窒素ガスとして上記窒素ガス取出路内に
案内する案内路を備えたことを特徴とする高純度
窒素ガス製造装置。
1. Air compression means for compressing air taken in from the outside, removal means for removing carbon dioxide and moisture from the compressed air compressed by this air compression means, and cooling the compressed air that has passed through this removal means to an ultra-low temperature. In a nitrogen gas production device equipped with a cooling heat exchange means and a rectification column that liquefies a part of the compressed air cooled to an ultra-low temperature by the heat exchange means and stores it inside and extracts only nitrogen as a gas from the upper side, A liquid nitrogen storage means that receives liquid nitrogen from outside the device and stores it, and a liquid nitrogen storage means that continuously uses the liquid nitrogen in the liquid nitrogen storage means as a cold source for liquefying compressed air in place of the cold heat generated from the cold heat generation expander. Nitrogen gas taken out as a gas from the rectification column is passed through the heat exchange means and heat exchanged with the compressed air to raise the temperature and convert it into product nitrogen gas. a liquid nitrogen evaporator; a second introduction path for guiding the liquid nitrogen in the liquid nitrogen storage means to the liquid nitrogen evaporator; A high-purity nitrogen gas production device comprising a guide path for guiding gas into the nitrogen gas extraction path.
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