JP2019163897A - Manufacturing method for product nitrogen gas and product argon gas, and manufacturing device therefor - Google Patents
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Abstract
【課題】酸素含有ガスの寒冷を利用することにより、高いエネルギー効率で、高純度の窒素およびアルゴンを製造する方法およびその方法に用いられる装置を提供する。【解決手段】原料空気が導入される第一精留塔2と、製品窒素ガスが導出される第二精留塔5と、製品アルゴンガスが導出される第三精留塔6と、第一精留塔2の塔頂部に貯留されたガスと前記第二精留塔5の塔底部に貯留された液とを熱交換するように構成される第一凝縮器3と、を有する製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置100において、第二精留塔5の中間部から窒素を含有する中間部ガスを導出させ、第一凝縮器3から排出される凝縮器ガスと合流させる。合流させたガスを膨張タービン8により膨張冷却することにより、その寒冷を利用する。【選択図】図1A method for producing high-purity nitrogen and argon with high energy efficiency by utilizing the cooling of an oxygen-containing gas and an apparatus used for the method are provided. A first rectification column 2 into which raw air is introduced, a second rectification column 5 into which product nitrogen gas is derived, a third rectification column 6 into which product argon gas is derived, Product nitrogen gas comprising: a first condenser 3 configured to exchange heat between the gas stored at the top of the rectifying column 2 and the liquid stored at the bottom of the second rectifying column 5 In the product argon production apparatus 100, the intermediate gas containing nitrogen is led out from the intermediate part of the second rectifying column 5 and merged with the condenser gas discharged from the first condenser 3. The combined gas is expanded and cooled by the expansion turbine 8 to use the cold. [Selection] Figure 1
Description
本発明は、窒素ガスを製造するとともに、アルゴンを製造するための、窒素およびアルゴンの製造方法および装置に関する。 The present invention relates to a method and an apparatus for producing nitrogen and argon for producing nitrogen gas and producing argon.
深冷分離法を用いた窒素製造装置により窒素ガスを製造する方法において、精留塔の凝縮器部分から導出される酸素を含有するガスを寒冷源として利用することにより、エネルギー効率を高める方法が提案されている(例えば特許文献1)。特許文献1では、精留塔の中間部から導出される流体を主熱交換器に導入して原料空気との熱交換をさせることにより、寒冷源として利用する。この寒冷源として利用された後の流体を膨張タービンで膨張冷却させて、再度主熱交換器に導入して、さらにその寒冷を利用する方法が開示されている。
深冷分離法を用いた空気分離装置により、窒素、アルゴンおよび酸素を製造する方法が知られている。酸素とアルゴンは、その沸点が近似しているため、アルゴンを製造しようとする場合には酸素とアルゴンを分離するための精留を行う必要があり、この工程において高純度の酸素も製造されることが一般的である(例えば特許文献2)。
In a method for producing nitrogen gas by a nitrogen production apparatus using a cryogenic separation method, there is a method for improving energy efficiency by using a gas containing oxygen derived from a condenser part of a rectifying column as a cold source. It has been proposed (for example, Patent Document 1). In
A method for producing nitrogen, argon and oxygen by an air separation device using a cryogenic separation method is known. Since the boiling points of oxygen and argon are close to each other, it is necessary to perform rectification to separate oxygen and argon when producing argon. In this process, high-purity oxygen is also produced. It is common (for example, patent document 2).
エネルギー効率向上のために、特許文献1に開示される、精留塔の凝縮器部分から導出される酸素を含有するガスを寒冷源として利用する方法を、窒素だけでなくアルゴンも製造する方法に適用させることは困難であった。 また、特許文献1に開示される方法では、窒素を製造することができるが、アルゴンの製造については言及されていない。
しかし、近年では窒素だけでなくアルゴンも取出したいという要望が高まっている。
In order to improve energy efficiency, the method of using oxygen-containing gas derived from the condenser part of the rectifying column, disclosed in
However, in recent years, there is an increasing demand for taking out not only nitrogen but also argon.
上記実情に鑑みて、本発明では、酸素含有ガスの寒冷を利用することにより、高いエネルギー効率で、高純度の窒素およびアルゴンを製造する方法およびその方法に用いられる装置を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a method for producing high-purity nitrogen and argon with high energy efficiency by utilizing the cooling of an oxygen-containing gas, and an apparatus used in the method. To do.
(発明1)
本発明に係る製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスの製造方法は、
所定の不純物が除去された原料空気が冷却される冷却工程と、
前記予冷工程で冷却された前記原料空気が第一精留塔に導入される原料空気導入工程と、
前記第一精留塔の塔底部から導出された酸素富化液が第二精留塔に導入される第一酸素富化液導入工程と、
前記第一精留塔の塔底部から導出された酸素富化液の少なくとも一部が第三精留塔に配置された第二凝縮器に導入される第二酸素富化液導入工程と、
前記第一精留塔において凝縮された窒素含有液を前記第二精留塔上部に環流液として導入する窒素含有液導入工程と、
前記第二精留塔の中間部から導出された中間部ガスと、前記第一精留塔の塔頂部に貯留されたガスと前記第二精留塔の塔底部に貯留された液とを熱交換するように構成される第一凝縮器から導出された凝縮器ガスとの混合ガスの少なくとも一部が膨張されて寒冷を発生させる、膨張工程と、
前記第二精留塔の下部から導出されたアルゴン含有ガスが前記第三精留塔に導入されるアルゴン含有ガス導入工程と、
前記第二精留塔の塔頂部から製品窒素ガスが導出される製品窒素ガス導出工程と、
前記第二精留塔の中間部から製品アルゴンが導出される製品アルゴン導出工程と、を含む。
(Invention 1)
The production method of product nitrogen gas and product argon gas according to the present invention is as follows:
A cooling step in which the raw air from which predetermined impurities are removed is cooled;
A raw air introduction step in which the raw air cooled in the pre-cooling step is introduced into the first fractionator;
A first oxygen-enriched liquid introduction step in which the oxygen-enriched liquid derived from the bottom of the first rectifying column is introduced into the second rectifying column;
A second oxygen-enriched liquid introducing step in which at least a part of the oxygen-enriched liquid derived from the bottom of the first rectifying column is introduced into a second condenser disposed in the third rectifying column;
Introducing a nitrogen-containing liquid condensed in the first rectifying column into the upper part of the second rectifying column as a reflux liquid; and
The intermediate gas derived from the intermediate part of the second rectification tower, the gas stored at the top of the first rectification tower and the liquid stored at the bottom of the second rectification tower are heated. An expansion step in which at least a portion of the gas mixture with the condenser gas derived from the first condenser configured to be exchanged is expanded to generate cold;
An argon-containing gas introduction step in which an argon-containing gas derived from the lower part of the second rectification column is introduced into the third rectification column;
A product nitrogen gas derivation step in which product nitrogen gas is derived from the top of the second rectification column;
A product argon deriving step in which product argon is derived from an intermediate portion of the second rectification column.
第一精留塔は、第二精留塔よりも運転圧力が高く、原料空気を酸素富化液と窒素ガスに分離させることができる。第二精留塔では、アルゴンと酸素を含有するガスを製造し、第三精留塔に供給する。第三精留塔では製品アルゴンが製造される。 The first rectification column has an operating pressure higher than that of the second rectification column, and can separate the raw material air into an oxygen-enriched liquid and nitrogen gas. In the second rectification column, a gas containing argon and oxygen is produced and supplied to the third rectification column. Product argon is produced in the third rectification column.
まず、圧縮され、所定の不純物を除去された原料空気は、主熱交換器における冷却工程により冷却されて、低温の原料空気となる。該原料空気は、原料空気導入工程において、第一精留塔へ導入される。第一精留塔に導入された原料空気は、第一精留塔の塔頂部で凝縮された液体窒素と接触し、精留され、酸素富化液と窒素ガスに分離される。 First, the raw material air that has been compressed and from which predetermined impurities have been removed is cooled by a cooling process in the main heat exchanger to become low-temperature raw material air. The raw air is introduced into the first rectification column in the raw air introduction step. The raw air introduced into the first rectifying column comes into contact with liquid nitrogen condensed at the top of the first rectifying column, is rectified, and is separated into an oxygen-enriched liquid and nitrogen gas.
第一精留塔の下部に貯留された酸素富化液は、第一酸素富化液導入工程において第二精留塔の所定の位置に供給される。第二精留塔に供給された酸素富化液は、製品窒素および製品アルゴンの原料であり、第二精留塔における冷媒としても利用される。
第一精留塔の下部に貯留された酸素富化液の少なくとも一部は第二精留塔に供給される前に、第二酸素富化液導入工程において、第三精留塔に配置された第二凝縮器に供給される。導入された酸素富化液は、第二凝縮器においてアルゴンを凝縮するための冷媒として利用される。
第二凝縮器において気化した酸素富化液は、第三精留塔から導出された後に、第二精留塔の所定の位置に冷媒として供給される。
第一精留塔の下部に貯留された酸素富化液は、分流されて、一部が第二精留塔に供給され、第二精留塔に供給されない部分が第二凝縮器に供給されることもできるが、酸素富化液のすべてを第二凝縮器に供給した後に、第二精留塔に供給してもよい。酸素富化液が分流されて、一部が第二凝縮器を経由せずに第二精留塔に供給された場合であっても、第二凝縮器を経由した後の酸素富化液も第二精留塔に供給されることから、最終的には酸素富化液の全量が第二精留塔に供給されることとなる。
The oxygen-enriched liquid stored in the lower part of the first rectifying column is supplied to a predetermined position of the second rectifying column in the first oxygen-enriched liquid introducing step. The oxygen-enriched liquid supplied to the second rectification column is a raw material for product nitrogen and product argon, and is also used as a refrigerant in the second rectification column.
At least a part of the oxygen-enriched liquid stored in the lower part of the first rectifying column is placed in the third rectifying column in the second oxygen-enriched liquid introducing step before being supplied to the second rectifying column. To the second condenser. The introduced oxygen-enriched liquid is used as a refrigerant for condensing argon in the second condenser.
The oxygen-enriched liquid vaporized in the second condenser is led out from the third rectifying column and then supplied as a refrigerant to a predetermined position of the second rectifying column.
The oxygen-enriched liquid stored in the lower part of the first rectification column is divided and partly supplied to the second rectification column, and the part not supplied to the second rectification column is supplied to the second condenser. It is also possible to supply all of the oxygen-enriched liquid to the second condenser and then to the second rectification column. Even when the oxygen-enriched liquid is diverted and a part is supplied to the second rectification column without going through the second condenser, the oxygen-enriched liquid after going through the second condenser is also Since it is supplied to the second rectifying column, the whole amount of the oxygen-enriched liquid is finally supplied to the second rectifying column.
第一精留塔で凝縮された窒素含有液は、窒素含有液導入工程において、第二精留塔上部に環流液として導入される。
第一精留塔の凝縮器は、第一精留塔の塔頂部に貯留されたガスと第二精留塔の塔底部に貯留された液とを熱交換するように構成される。該凝縮器からは凝縮器ガスが導出される。凝縮器において凝縮されたガスは還流液として第一精留塔に供給され、凝縮器において気化された液は凝縮器ガスとして第二精留塔に供給される。第二精留塔の下部からアルゴン含有ガスが導出されるため、凝縮器ガスの主成分は酸素となる。深冷分離によってアルゴンを製造するためには、ほとんどすべての酸素を高純度に濃縮して回収する必要があるためである。さもなければ、アルゴンは酸素と沸点が非常に近いため、酸素流にアルゴンが容易に混入して流出し、アルゴンの回収ができなくなる。したがって、第二精留塔の低部から導出される凝縮器ガスは、ほぼ100%の純酸素ガスとなる。
The nitrogen-containing liquid condensed in the first rectifying column is introduced as a reflux liquid into the upper part of the second rectifying column in the nitrogen-containing liquid introducing step.
The condenser of the first rectifying column is configured to exchange heat between the gas stored at the top of the first rectifying column and the liquid stored at the bottom of the second rectifying column. A condenser gas is derived from the condenser. The gas condensed in the condenser is supplied as a reflux liquid to the first rectification column, and the liquid vaporized in the condenser is supplied as a condenser gas to the second rectification column. Since the argon-containing gas is derived from the lower part of the second rectification column, the main component of the condenser gas is oxygen. This is because in order to produce argon by cryogenic separation, it is necessary to concentrate and recover almost all oxygen to high purity. Otherwise, since argon has a boiling point very close to that of oxygen, argon easily flows out into the oxygen stream and cannot be recovered. Therefore, the condenser gas derived from the lower part of the second rectification column is almost 100% pure oxygen gas.
このため、凝縮器ガスの寒冷を、主熱交換器において利用しようとする場合には、酸素ガスの使用に耐えうる特殊素材の配管を使用する必要がある。さらに、主熱交換器において寒冷を利用した後の凝縮器ガスを膨張冷却させて、さらにその寒冷を主熱交換器で利用する場合には、酸素ガスの使用に耐えうる特殊素材の膨張タービンを使用しなければならない。凝縮器ガスを、主熱交換器を経由させずに直接膨張タービンに導入し、膨張タービンにより膨張冷却させる場合にも同様に、高濃度酸素に対応しうる特殊な膨張タービンを使用しなければならない。特殊素材としては、例えばジュラルミン等の素材が挙げられるが、入手が困難であり、高価である。 For this reason, when it is going to utilize the cold of condenser gas in a main heat exchanger, it is necessary to use piping of the special material which can endure use of oxygen gas. Furthermore, when the condenser gas after using cold in the main heat exchanger is expanded and cooled, and the cold is further used in the main heat exchanger, an expansion turbine made of a special material that can withstand the use of oxygen gas is used. Must be used. Similarly, when the condenser gas is introduced directly into the expansion turbine without going through the main heat exchanger and is expanded and cooled by the expansion turbine, a special expansion turbine capable of supporting high-concentration oxygen must be used as well. . Examples of the special material include materials such as duralumin, but are difficult to obtain and expensive.
そこで本発明では、第二精留塔の中間部から導出された中間部ガスを、前記凝縮器ガスに合流させた後に、寒冷を放出させ、膨張冷却させ、さらに寒冷を発生させるようにした。中間部ガスは窒素ガスを多く含有するため、凝縮器ガスと混合すれば、ガス中に含有される酸素濃度を低下させることができる。これにより、酸素ガスの使用に耐えうる特殊素材を使用しない通常の配管や膨張タービンを用いることが可能となる。特殊素材を使用しない膨張タービンや配管は入手が容易であり、費用も安価である利点がある。中間部ガスの代わりに、製品窒素ガスを前記凝縮器ガスに混合することによっても膨張タービンに導入されるガス中酸素濃度を低減することができるが、これは製品窒素ガス量を低減させてしまうので望ましくない。 Therefore, in the present invention, the intermediate part gas derived from the intermediate part of the second rectification column is merged with the condenser gas, and then the cold is discharged, expanded and cooled, and further the cold is generated. Since the intermediate portion gas contains a large amount of nitrogen gas, the oxygen concentration contained in the gas can be reduced if mixed with the condenser gas. This makes it possible to use ordinary piping and expansion turbines that do not use special materials that can withstand the use of oxygen gas. Expansion turbines and pipes that do not use special materials have the advantage of being readily available and inexpensive. The oxygen concentration in the gas introduced into the expansion turbine can also be reduced by mixing product nitrogen gas with the condenser gas instead of the intermediate gas, but this reduces the amount of product nitrogen gas. So undesirable.
第一精留塔の塔底部から第二精留塔に酸素富化液を導入する際に、サブクーラを経由させて、第二精留塔へ導入される前の酸素富化液を冷却させてもよい。第二精留塔内部で酸素富化液が多量に気化することにより精留効率が低下する減少を抑制することができ、精留効率がより向上するためである。サブクーラでは、酸素富化液導出配管および窒素含有液導入配管を通過する流体が、製品窒素ガス導出配管を通過する製品窒素ガスとの熱交換を行うことにより、冷却される。 When the oxygen-enriched liquid is introduced from the bottom of the first rectifying column to the second rectifying column, the oxygen-enriched liquid before being introduced into the second rectifying column is cooled via the subcooler. Also good. This is because a decrease in the rectification efficiency can be suppressed by vaporizing a large amount of the oxygen-enriched liquid inside the second rectification column, and the rectification efficiency is further improved. In the subcooler, the fluid passing through the oxygen-enriched liquid outlet pipe and the nitrogen-containing liquid inlet pipe is cooled by heat exchange with the product nitrogen gas passing through the product nitrogen gas outlet pipe.
本発明では、酸素ガスの寒冷を原料空気の冷却に利用することが可能となる。酸素を主成分とする凝縮器ガスを、中間部ガスとともに主熱交換器に導入することにより、凝縮器ガスおよび中間部ガスの寒冷を利用した後に、膨張冷却させてさらにその寒冷を利用することができる。したがって、特に窒素およびアルゴンを必要とするが、酸素ガスを必要としない用途に対しては、ガス製品としては不要である酸素の寒冷を利用できることからエネルギー効率の高い製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造方法を提供することが可能となる。 In the present invention, it is possible to use the cooling of oxygen gas for cooling the raw material air. By introducing the condenser gas mainly composed of oxygen into the main heat exchanger together with the intermediate part gas, after using the cold of the condenser gas and the intermediate part gas, it is further expanded and cooled to use the cold. Can do. Therefore, especially for applications that require nitrogen and argon but do not require oxygen gas, the production of energy-efficient product nitrogen gas and product argon is possible due to the use of oxygen refrigeration, which is not necessary as a gas product. It becomes possible to provide a method.
ところで、第二精留塔では、窒素を含有するガスが第二精留塔内部を上昇しながら、第二精留塔の上部に供給された液体窒素と接触し、精留される。この工程において、窒素を含有するガスに同伴されたアルゴンおよび酸素の一部も第二精留塔内部を上昇する。同伴されたアルゴンおよび酸素は製品窒素ガス中に混入するため、製品窒素ガスの純度を低下させる要因となっていた。酸素窒素アルゴン成分を完全に分離し、高純度の製品窒素ガスを製造するためには、蒸留段を多く設置することも考えられるが、高コストになるという問題があると同時に、酸素窒素アルゴン成分の完全な精留分離は極めて精密な運転制御の調整が必要となり、原料空気の供給量などの負荷変動に際して安定した装置の運転が困難となる。
本発明においては、第二精留塔の中間部から窒素を含有する中間部ガスを導出させることにより、第二精留塔内部を上昇するアルゴンおよび酸素の量を低減させることができる。その結果、製品窒素ガス中に含有されるアルゴンおよび酸素の量が低減され、多数の蒸留段を設置することなく製品窒素ガスの純度を高めることが可能となる。
By the way, in the second rectification column, the nitrogen-containing gas comes into contact with the liquid nitrogen supplied to the upper part of the second rectification column while being raised inside the second rectification column, and is rectified. In this step, part of argon and oxygen entrained in the nitrogen-containing gas also rises in the second rectification column. Since the accompanying argon and oxygen are mixed in the product nitrogen gas, the purity of the product nitrogen gas is reduced. In order to completely separate the oxygen-nitrogen argon component and produce high-purity product nitrogen gas, it may be possible to install many distillation stages. The complete rectification separation requires very precise adjustment of operation control, and it becomes difficult to operate the apparatus stably in response to load fluctuations such as the supply amount of raw material air.
In the present invention, the amount of argon and oxygen rising inside the second rectification column can be reduced by deriving the intermediate gas containing nitrogen from the intermediate part of the second rectification column. As a result, the amount of argon and oxygen contained in the product nitrogen gas is reduced, and the purity of the product nitrogen gas can be increased without installing a large number of distillation stages.
(発明2)
本発明にかかる製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスの製造装置(100;101;102;103)は、
所定の不純物が除去された原料空気を冷却する主熱交換器(1)と、
冷却された前記原料空気が導入される第一精留塔(2)と、
製品窒素ガスが導出される第二精留塔(5)と、
製品アルゴンが導出される第三精留塔(6)と、
前記第一精留塔の塔頂部に貯留されたガスと前記第二精留塔の塔底部に貯留された液とを熱交換するように構成される第一凝縮器(3)と、
前記第一凝縮器(3)において凝縮された窒素含有液の少なくとも一部を環流液として、前記第二精留塔に導入させる窒素含有液導入配管(11)と、
前記第二精留塔の下部から、アルゴン含有ガスを前記第三精留塔に導入させるアルゴン含有ガス導入配管(17)と、
前記第三精留塔の塔底部から、アルゴン含有液体を前記第二精留塔に導入させるアルゴン含有液体導出配管(19)と、
前記第一凝縮器(3)の気相部から凝縮器ガスを導出させる、凝縮器ガス導出配管(14)と、
前記第二精留塔の中間部から中間部ガスを導出させる、中間部ガス導出配管(15)と、
前記凝縮器ガスと、前記中間部ガスとの混合ガスを膨張冷却させる膨張タービン(8)と、
前記第二精留塔から前記製品窒素ガスを導出させる製品窒素ガス導出配管(16)と、
前記第三精留塔の中間部から前記製品アルゴンを導出させる、製品アルゴン導出配管(18)と、を備える。
なお、本明細書にカッコ書きで記載された符号は一実施形態を示すものであって、これに限られるものではない。
(Invention 2)
The apparatus for producing product nitrogen gas and product argon gas (100; 101; 102; 103) according to the present invention comprises:
A main heat exchanger (1) for cooling the raw air from which predetermined impurities have been removed;
A first rectifying column (2) into which the cooled raw air is introduced;
A second rectification column (5) from which product nitrogen gas is derived;
A third rectification column (6) from which product argon is derived;
A first condenser (3) configured to exchange heat between the gas stored at the top of the first rectifying column and the liquid stored at the bottom of the second rectifying column;
A nitrogen-containing liquid introduction pipe (11) for introducing at least part of the nitrogen-containing liquid condensed in the first condenser (3) into the second rectification column as a reflux liquid;
An argon-containing gas introduction pipe (17) for introducing an argon-containing gas into the third rectification column from the lower part of the second rectification column;
An argon-containing liquid outlet pipe (19) for introducing an argon-containing liquid into the second rectifying tower from the bottom of the third rectifying tower;
A condenser gas outlet pipe (14) for leading condenser gas from the gas phase part of the first condenser (3);
An intermediate gas outlet pipe (15) for extracting intermediate gas from the intermediate part of the second rectification column;
An expansion turbine (8) for expanding and cooling a mixed gas of the condenser gas and the intermediate part gas;
A product nitrogen gas outlet pipe (16) for extracting the product nitrogen gas from the second rectification column;
A product argon outlet pipe (18) for extracting the product argon from an intermediate part of the third rectifying column.
In addition, the code | symbol described in this specification in parentheses shows one Embodiment, Comprising: It is not restricted to this.
本発明における中間部ガス導出配管(15)を設けない場合には、凝縮器ガス導出配管(14)から導出される凝縮器ガス中の酸素濃度は極めて高くなる(例えば99%以上である)。これはアルゴンガスを製造するために第二精留塔(5)から、アルゴン含有ガス導入配管(17)によりアルゴンを含有するガスを導出させているためである。
本発明では、中間部ガス導出配管(15)を設け、高濃度の酸素を含有する凝縮器ガスに、窒素を含有する中間部ガスを合流させることにより、酸素濃度を低減させている(例えば70%以上97%以下である)。そのため、膨張タービン(8)には酸素ガスに使用しうる特殊素材(例えばジュラルミン)を使用する必要がない。したがって配管や膨張タービンの入手が容易であり、価格も安価である利点がある。
凝縮器ガスと中間部ガスとの混合ガスは、膨張タービン(8)に導入され、膨張冷却される。これにより発生された寒冷は、主熱交換器(1)に導入され、原料空気との熱交換に利用される。
膨張タービン(8)に導入される前に、凝縮器ガスと中間部ガスとの混合ガスが主熱交換器(1)に導入されてもよい。この場合、凝縮器ガスと中間部ガスとの混合ガスが主熱交換器(1)において原料空気との熱交換を行うことにより、その寒冷を放出する。さらに寒冷を放出した後に膨張タービン(8)に導入され、膨張冷却される。膨張冷却されたガスは再度主熱交換器(1)に導入されて、その寒冷は原料空気との熱交換に利用される。
以上のように酸素を含有するガスの寒冷を利用することから、特に製品ガスとしての酸素が不要である用途において、高いエネルギー効率で製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスを製造することが可能となる。
When the intermediate gas outlet pipe (15) in the present invention is not provided, the oxygen concentration in the condenser gas led out from the condenser gas outlet pipe (14) becomes extremely high (for example, 99% or more). This is because, in order to produce argon gas, a gas containing argon is led out from the second rectification column (5) through the argon-containing gas introduction pipe (17).
In the present invention, the intermediate portion gas outlet pipe (15) is provided, and the oxygen concentration is reduced by joining the intermediate portion gas containing nitrogen to the condenser gas containing high concentration oxygen (for example, 70). % To 97%). Therefore, it is not necessary to use a special material (for example, duralumin) that can be used for oxygen gas in the expansion turbine (8). Therefore, there is an advantage that the piping and the expansion turbine are easily available and the price is low.
The mixed gas of the condenser gas and the intermediate gas is introduced into the expansion turbine (8) and is cooled by expansion. The cold generated thereby is introduced into the main heat exchanger (1) and used for heat exchange with the raw air.
Before being introduced into the expansion turbine (8), a mixed gas of condenser gas and intermediate gas may be introduced into the main heat exchanger (1). In this case, the mixed gas of the condenser gas and the intermediate part gas performs heat exchange with the raw material air in the main heat exchanger (1), thereby releasing the cold. Further, after releasing the cold, it is introduced into the expansion turbine (8) and expanded and cooled. The expanded and cooled gas is again introduced into the main heat exchanger (1), and the cold is used for heat exchange with the raw material air.
As described above, since the cooling of oxygen-containing gas is used, product nitrogen gas and product argon gas can be produced with high energy efficiency, particularly in applications that do not require oxygen as the product gas.
さらに本発明では、中間部ガス導出配管(15)を設けることにより、第二精留塔(5)内を上昇する窒素ガスに同伴されて第二精留塔(5)内を上昇するアルゴンおよび酸素の量を低減させることが可能となる。このため、第二精留塔(5)の塔頂部から得られる製品窒素ガスの純度が高くなるという効果がある。 Furthermore, in the present invention, by providing the intermediate gas outlet pipe (15), the argon rising in the second rectification column (5) accompanied by the nitrogen gas rising in the second rectification column (5) and It becomes possible to reduce the amount of oxygen. For this reason, there exists an effect that the purity of the product nitrogen gas obtained from the tower | column top part of a 2nd fractionator (5) becomes high.
(発明3)
上記の発明にかかる製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスの製造装置において、
前記第一精留塔の塔底部に貯留された酸素富化液を、前記第一精留塔の塔底部から導出させる、酸素富化液導出配管(21)と、
前記酸素富化液導出配管(21)から導出された酸素富化液を、前記第三精留塔に配置された第二凝縮器(7)に導入する、第二酸素富化液導入配管(13)と、
前記第二凝縮器から導出される酸素富化液を前記第二精留塔に導入する第三酸素富化液導入配管(22)と、をさらに備えてもよい。
(Invention 3)
In the apparatus for producing product nitrogen gas and product argon gas according to the above invention,
An oxygen-enriched solution outlet pipe (21) for allowing the oxygen-enriched solution stored at the bottom of the first rectifying column to be derived from the bottom of the first rectifying column;
A second oxygen-enriched liquid introduction pipe (introducing the oxygen-enriched liquid led out from the oxygen-enriched liquid lead-out pipe (21) into the second condenser (7) disposed in the third rectifying column. 13)
A third oxygen-enriched liquid introduction pipe (22) for introducing the oxygen-enriched liquid led out from the second condenser into the second rectification column may be further provided.
(発明4)
発明3において、前記第三酸素富化液導入配管(22)は、前記第二凝縮器(7)の気相部から気体状態の酸素富化液を前記第二精留塔(5)に導入してもよい。
(Invention 4)
In the
酸素富化液は、冷媒として、また製品窒素および製品アルゴンの原料として第二精留塔(5)に導入される。しかし酸素富化液の一部または全部は第二凝縮器(7)へ導入され、酸素富化液の寒冷を利用した後に、第二精留塔(5)へ返送されてもよい。この場合、第二凝縮器(7)で気化した酸素富化液は第二凝縮器(7)の上部に気体状態で存在し、第二凝縮器(7)の上部から延伸された第三酸素富化液導入配管(22)により第二精留塔(5)へと返送される。 The oxygen-enriched liquid is introduced into the second rectification column (5) as a refrigerant and as a raw material for product nitrogen and product argon. However, part or all of the oxygen-enriched liquid may be introduced into the second condenser (7) and returned to the second rectification column (5) after using the cooling of the oxygen-enriched liquid. In this case, the oxygen-enriched liquid vaporized in the second condenser (7) exists in the gaseous state at the upper part of the second condenser (7), and the third oxygen stretched from the upper part of the second condenser (7). It is returned to the second rectification column (5) by the enrichment liquid introduction pipe (22).
(発明5)
上記の発明にかかる製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスの製造装置は、
前記第二凝縮器の上部に配置される第四精留塔(9)と、
前記第四精留塔の塔頂部から取出した第四精留塔塔頂部ガスを、前記第二精留塔に導入する第四精留塔塔頂部ガス導入配管(23)と、をさらに有してもよい。
前記第三酸素富化液導入配管は、前記第二凝縮器の液相部から液体状態の酸素富化液を前記第二精留塔に導入する。
前記第一精留塔の塔底部に貯留された酸素富化液は、前記第四精留塔の気相部を経由して、前記第二凝縮器に導入される。
(Invention 5)
The apparatus for producing product nitrogen gas and product argon gas according to the invention described above,
A fourth rectifying column (9) disposed at the top of the second condenser;
A fourth rectifying tower top gas introduction pipe (23) for introducing the fourth rectifying tower top gas taken out from the top of the fourth rectifying tower into the second rectifying tower; May be.
The third oxygen-enriched liquid introduction pipe introduces a liquid oxygen-enriched liquid from the liquid phase part of the second condenser into the second rectifying column.
The oxygen-enriched liquid stored at the bottom of the first rectifying column is introduced into the second condenser via the gas phase of the fourth rectifying column.
第四精留塔(9)を設けることにより、酸素富化液に含有されるアルゴンを第四精留塔(9)内部でさらに濃縮して、第二精留塔(5)へ供給することが可能となる。そのため第二精留塔(5)における分離の負荷を低減し、精留効率を向上させることが可能となり、さらにアルゴンの回収率も向上させることができる。 By providing the fourth rectifying column (9), the argon contained in the oxygen-enriched liquid is further concentrated inside the fourth rectifying column (9) and supplied to the second rectifying column (5). Is possible. Therefore, the separation load in the second rectification column (5) can be reduced, the rectification efficiency can be improved, and the argon recovery rate can also be improved.
(発明6)
上記の発明にかかる製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスの製造装置において、
前記第二凝縮器の上部に配置される第四精留塔(9)と、前記第一精留塔の塔底部に貯留された酸素富化液の少なくとも一部を、前記第二精留塔に導入する、第一酸素富化液導入配管(12)をさらに備えることもできる。
(Invention 6)
In the apparatus for producing product nitrogen gas and product argon gas according to the above invention,
A fourth rectifying column (9) disposed at an upper part of the second condenser, and at least a part of the oxygen-enriched liquid stored at the bottom of the first rectifying column, It is also possible to further include a first oxygen-enriched liquid introducing pipe (12) introduced into
(発明7)
上記の発明にかかる製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスの製造装置において、凝縮器ガスと中間部ガスの混合ガスが圧縮タービン(8)に導入される。この混合ガスは、前記第一凝縮器(3)の気相部から直接取出された前記凝縮器ガスと、前記第二精留塔(5)の中間部から直接取出された前記中間部ガスとの混合ガスであってもよい。
(Invention 7)
In the apparatus for producing product nitrogen gas and product argon gas according to the above invention, a mixed gas of the condenser gas and the intermediate gas is introduced into the compression turbine (8). The mixed gas includes the condenser gas taken out directly from the gas phase part of the first condenser (3), and the intermediate part gas taken out directly from the intermediate part of the second rectifying column (5). The mixed gas may be used.
凝縮器ガスと中間部ガスとの混合ガスを、膨張タービン(8)によりさらに冷却させた後に、その寒冷を主熱交換器(1)で利用することが可能となる。混合ガスの寒冷を有効に利用することにより、エネルギー効率を向上させることが可能となる。 After the mixed gas of the condenser gas and the intermediate gas is further cooled by the expansion turbine (8), the cold can be used in the main heat exchanger (1). Energy efficiency can be improved by effectively using the coldness of the mixed gas.
(発明8)
また、該混合ガスは前記第一凝縮器の気相部から直接取出された前記凝縮器ガスと、前記第二精留塔の中間部から直接取出された前記中間部ガスとを混合した後に、前記主熱交換器を経由させた混合ガスであってもよい。
(Invention 8)
Further, the mixed gas is a mixture of the condenser gas taken out directly from the gas phase part of the first condenser and the intermediate part gas taken out directly from the intermediate part of the second rectifying column. It may be a mixed gas passed through the main heat exchanger.
凝縮器ガスと中間部ガスとの混合ガスを、膨張タービン(8)に導入する前に主熱交換器(1)に導入して、その寒冷を利用し、さらに膨張タービン(8)により膨張冷却させた後に、その寒冷を主熱交換器(1)で利用することも可能である。混合ガスの寒冷を有効に利用することにより、エネルギー効率を向上させることが可能となる。 The mixed gas of the condenser gas and the intermediate gas is introduced into the main heat exchanger (1) before being introduced into the expansion turbine (8), the cold is used, and further, expansion cooling is performed by the expansion turbine (8). Then, the cold can be used in the main heat exchanger (1). Energy efficiency can be improved by effectively using the coldness of the mixed gas.
(発明9)
上記の発明にかかる製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスの製造装置において、前記窒素含有液配管(11)および前記酸素富化液導出配管(21)の少なくともいずれか一方と、前記製品窒素ガス導出配管とが、サブクーラ(4)を経由するように構成してもよい。
(Invention 9)
In the apparatus for producing product nitrogen gas and product argon gas according to the above invention, at least one of the nitrogen-containing liquid pipe (11) and the oxygen-enriched liquid lead-out pipe (21), and the product nitrogen gas lead-out pipe, However, you may comprise so that a subcooler (4) may be routed.
サブクーラ(4)を経由し、温度の低い製品窒素ガスとの熱交換を行うことにより、窒素含有液および/または酸素富化液は冷却される。これにより、第二精留塔(5)へ導入される窒素含有液および/または酸素富化液が、第二精留塔(5)内部で多量に気化して精留効率を低減させる減少を抑制することが可能となる。 The nitrogen-containing liquid and / or the oxygen-enriched liquid is cooled by performing heat exchange with the product nitrogen gas having a low temperature via the subcooler (4). As a result, the nitrogen-containing liquid and / or the oxygen-enriched liquid introduced into the second rectifying column (5) is vaporized in a large amount inside the second rectifying column (5) to reduce the rectifying efficiency. It becomes possible to suppress.
(発明10)
上記の発明にかかる製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスの製造装置において、中間部ガス導出配管は、前記サブクーラに導入された後に、前記凝縮器ガス導出配管と第一合流点(25)において接続されてもよい。第一合流点(25)は、前記サブクーラの後段かつ前記膨張タービンの前段である。
(Invention 10)
In the apparatus for producing product nitrogen gas and product argon gas according to the above invention, the intermediate part gas outlet pipe is connected to the condenser gas outlet pipe at the first junction (25) after being introduced into the subcooler. Also good. The first junction (25) is a stage after the subcooler and a stage before the expansion turbine.
中間部ガスがサブクーラ(4)に導入されることにより、中間部ガスの寒冷が酸素富化液および/または窒素含有液の冷却に利用されることから、エネルギー効率のさらなる向上が可能となる。 By introducing the intermediate part gas into the subcooler (4), the cold of the intermediate part gas is used for cooling the oxygen-enriched liquid and / or the nitrogen-containing liquid, so that the energy efficiency can be further improved.
(発明11)
上記の発明にかかる製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスの製造装置において、前記第二精留塔の中間部は、前記窒素含有液導入配管(11)の前記第二精留塔(5)側の取り付け位置よりも下方であり、かつ、前記第一酸素富化液導入配管(12)の前記第二精留塔(5)側の取り付け位置よりも上方であってもよい。
(Invention 11)
In the apparatus for producing product nitrogen gas and product argon gas according to the above invention, an intermediate part of the second rectifying column is attached to the second rectifying column (5) side of the nitrogen-containing liquid introduction pipe (11). It may be below the position and above the attachment position on the second fractionator (5) side of the first oxygen-enriched liquid introduction pipe (12).
中間部ガス導出配管(15)を、窒素含有液導入配管(11)よりも下方であり、かつ、第一酸素富化液導入配管(12)よりも上方に取り付けることにより、製品窒素ガスの純度を高く維持しながら、膨張タービン(8)に導入されるガス中の酸素濃度を所定の濃度以下(例えば97%以下)に制御することが可能となる。 By attaching the intermediate part gas outlet pipe (15) below the nitrogen-containing liquid introduction pipe (11) and above the first oxygen-enriched liquid introduction pipe (12), the purity of the product nitrogen gas It is possible to control the oxygen concentration in the gas introduced into the expansion turbine (8) to a predetermined concentration or less (for example, 97% or less) while maintaining a high value.
(発明12)
上記の発明にかかる製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスの製造装置において、
凝縮器ガス導出配管(14)から導出される凝縮器ガスの導出流量に対する、中間部ガス導出配管(15)から導出される中間部ガスの導出流量の比は0.03以上2以下であってもよい。凝縮器ガスの導出流量に対する、中間部ガスの導出流量の比は、好ましくは0.25以上0.5以下であってもよい。
(Invention 12)
In the apparatus for producing product nitrogen gas and product argon gas according to the above invention,
The ratio of the derived flow rate of the intermediate part gas derived from the intermediate part gas outlet line (15) to the derived flow rate of the condenser gas derived from the condenser gas outlet line (14) is 0.03 or more and 2 or less. Also good. The ratio of the outlet flow of the intermediate gas to the outlet flow of the condenser gas may be preferably 0.25 or more and 0.5 or less.
上記の流量比とすることにより、主熱交換器(1)に導入される凝縮器ガスおよび中間部ガスの混合ガスに含有される酸素濃度を70%以上97%以下に維持しながら、温度をー185℃以上−165℃以下に制御することが可能となる。 By setting the above flow ratio, the temperature is maintained while maintaining the oxygen concentration contained in the mixed gas of the condenser gas and the intermediate gas introduced into the main heat exchanger (1) at 70% or more and 97% or less. It becomes possible to control to −185 ° C. or more and −165 ° C. or less.
上記の発明にかかる製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスの製造装置において、膨張タービン(8)に導入されるガス中の酸素濃度は70%以上97以下であってもよい。酸素濃度が70%以上97以下とすることにより、安価な材料(たとえばステンレス鋼)で構成された膨張タービン(8)を適用することができる。 In the apparatus for producing product nitrogen gas and product argon gas according to the above invention, the oxygen concentration in the gas introduced into the expansion turbine (8) may be 70% or more and 97 or less. By setting the oxygen concentration to 70% or more and 97 or less, the expansion turbine (8) made of an inexpensive material (for example, stainless steel) can be applied.
以上に述べた製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置によれば、アルゴンの回収率を低下させることなく、酸素を含有する凝縮器ガスおよび中間部ガスの寒冷を利用することにより、高いエネルギー効率で製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造をすることができる。また、寒冷の利用にあたり、酸素ガスに耐久性のある特殊部材を使用することなく、一般的な素材(たとえばステンレス鋼)を使用した配管および膨張タービンを使用することが可能となる。また、酸素およびアルゴン含有量が少ない、高純度の製品窒素ガスを製造することが可能となる。 According to the product nitrogen gas and product argon production apparatus described above, it is possible to achieve high energy efficiency by utilizing the coldness of the condenser gas and intermediate gas containing oxygen without reducing the argon recovery rate. Product nitrogen gas and product argon can be produced. Moreover, when using cold, it becomes possible to use piping and an expansion turbine using a general raw material (for example, stainless steel), without using a special member durable to oxygen gas. In addition, it is possible to produce a high-purity product nitrogen gas having a low oxygen and argon content.
以下に本発明のいくつかの実施形態について説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の一例を説明するものである。本発明は以下の実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形形態も含む。なお、以下で説明される構成の全てが本発明の必須の構成であるとは限らない。 Several embodiments of the present invention will be described below. Embodiment described below demonstrates an example of this invention. The present invention is not limited to the following embodiments, and includes various modified embodiments that are implemented within a range that does not change the gist of the present invention. Note that not all of the configurations described below are essential configurations of the present invention.
本発明にかかる窒素製造方法のフローについて、説明する。 The flow of the nitrogen production method according to the present invention will be described.
(冷却工程)
冷却工程は、原料空気を熱交換器において冷却する工程である。主熱交換器に導入される原料空気は、外部より取り入れた原料空気を1つまたは複数の圧縮機により圧縮する圧縮工程と、圧縮された原料空気から所定の不純物を除去する除去工程とを経た原料空気であってもよい。除去工程における不純物の除去方法は特に限定されず、吸着、冷却等の既知の方法により行われても良い。除去される不純物は特に限定されず、熱交換器などを閉塞する原因となる炭酸ガス、水分などであってもよい。
圧縮工程は、圧縮された原料空気を冷却する冷却工程を含んでも良い。複数の圧縮機により原料空気を圧縮する場合には、それぞれの圧縮機で圧縮された原料空気を冷却する複数の冷却工程を含んでも良い。
(Cooling process)
A cooling process is a process of cooling raw material air in a heat exchanger. The raw material air introduced into the main heat exchanger has undergone a compression step of compressing the raw material air taken from outside by one or a plurality of compressors, and a removal step of removing predetermined impurities from the compressed raw material air. Source air may be used. The method for removing impurities in the removing step is not particularly limited, and may be performed by a known method such as adsorption or cooling. The impurities to be removed are not particularly limited, and may be carbon dioxide gas, moisture, or the like that causes the heat exchanger or the like to be blocked.
The compression step may include a cooling step for cooling the compressed raw material air. In the case where the raw material air is compressed by a plurality of compressors, a plurality of cooling steps for cooling the raw material air compressed by the respective compressors may be included.
冷却工程では、原料空気は、後述する製品窒素ガス、凝縮器ガス、および中間部ガスの少なくてもいずれか1つと熱交換を行うことにより冷却される。
図1に示す製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスの製造装置100においては、主熱交換器1で冷却工程を実施する。
In the cooling process, the raw air is cooled by exchanging heat with at least one of the product nitrogen gas, the condenser gas, and the intermediate part gas described later.
In the
(原料空気導入工程)
原料空気導入工程は冷却工程で冷却された原料空気が第一精留塔に導入される工程である。第一精留塔導入前に原料空気が膨張冷却されても良い。原料空気の膨張冷却は膨張弁により実施されても良い。第一精留塔へ導入される原料空気の温度は例えば−170℃から−155℃の範囲であり、圧力は例えば7.0barAから15barAの範囲である。
原料空気導入工程において第一精留塔に導入された原料空気は、酸素富化液と窒素ガスに分離される。酸素富化液は第一精留塔の塔底部に貯留され、窒素ガスは第一精留塔の上部に配置された凝縮器で凝縮されて液体窒素となる。
(Raw material air introduction process)
The raw material air introduction step is a step in which the raw material air cooled in the cooling step is introduced into the first rectification column. The raw air may be expanded and cooled before introducing the first rectification column. The raw material air may be expanded and cooled by an expansion valve. The temperature of the raw air introduced into the first rectification column is, for example, in the range of −170 ° C. to −155 ° C., and the pressure is, for example, in the range of 7.0 barA to 15 barA.
The raw air introduced into the first rectification column in the raw air introduction step is separated into an oxygen-enriched liquid and nitrogen gas. The oxygen-enriched liquid is stored at the bottom of the first rectifying column, and the nitrogen gas is condensed into liquid nitrogen by a condenser arranged at the upper part of the first rectifying column.
(第一酸素富化液導入工程)
第一酸素富化液導入工程は、第一精留塔の塔底部に貯留された酸素富化液を第二精留塔に導入する工程である。酸素富化液は、第二精留塔に導入される前に、その一部または全部が第三精留塔の第二凝縮器に導入されてもよい。第二精留塔に導入された酸素富化液の温度は例えば−175℃以上−160℃以下であり、第二精留塔の内部を下降しながら、第二精留塔を上昇するガスと接触し、第一精留塔と第二精留塔との間に配置される凝縮部に貯留される。
第一精留塔の塔底部から導出された酸素富化液は、第二精留塔に導入される前にサブクーラを経由することにより冷却されてもよいが、サブクーラを経由しなくてもよい。
(First oxygen-enriched liquid introduction process)
The first oxygen-enriched liquid introducing step is a step of introducing the oxygen-enriched liquid stored at the bottom of the first rectifying column into the second rectifying column. A part or all of the oxygen-enriched liquid may be introduced into the second condenser of the third rectification column before being introduced into the second rectification column. The temperature of the oxygen-enriched liquid introduced into the second rectification column is, for example, −175 ° C. or more and −160 ° C. or less, and the gas rising the second rectification column while descending the second rectification column It contacts and is stored by the condensation part arrange | positioned between a 1st rectification tower and a 2nd rectification tower.
The oxygen-enriched liquid derived from the bottom of the first rectifying column may be cooled by passing through the subcooler before being introduced into the second rectifying column, but may not be passed through the subcooler. .
(第二酸素富化液導入工程)
第二酸素富化液導入工程は、第一精留塔の塔底部に貯留された酸素富化液の一部または全部(例えば、塔底部に貯留された酸素富化液の10%以上100%以下である)を第三精留塔に導入する工程である。第三精留塔に導入された酸素富化液は、第三精留塔の上部に配置された凝縮部においてアルゴンガスと熱交換を行う。第三精留塔の上部に配置された凝縮部の上部から導出された、気化した酸素富化液は、第二精留塔に返送される。
ここで、気化した酸素富化液は、第二精留塔上部から下降する液と接触し、精留される。
(Second oxygen-enriched liquid introduction process)
In the second oxygen-enriched liquid introducing step, part or all of the oxygen-enriched liquid stored at the bottom of the first rectification column (for example, 10% or more of the oxygen-enriched liquid stored at the bottom of the tower is 100% In the third rectification column. The oxygen-enriched liquid introduced into the third rectification column exchanges heat with argon gas in the condensing part arranged at the upper part of the third rectification column. The vaporized oxygen-enriched liquid led out from the upper part of the condensing part arranged at the upper part of the third rectifying column is returned to the second rectifying column.
Here, the vaporized oxygen-enriched liquid comes into contact with the liquid descending from the upper part of the second rectifying column and is rectified.
(窒素含有液導入工程)
窒素含有液導入工程は、第一凝縮器において凝縮されることにより得られた液体窒素を第二精留塔上部に還流液として導入する工程である。第一凝縮器は第一精留塔の塔頂部に貯留されたガスと前記第二精留塔の塔底部に貯留された液とを熱交換するように構成される。第二精留塔に導入される窒素含有液の温度は例えば−192℃以上−175℃以下である。
第一凝縮器から導出された酸窒素含有液は、第二精留塔に導入される前にサブクーラを経由することにより冷却されてもよいが、サブクーラを経由しなくてもよい。
(Nitrogen-containing liquid introduction process)
The nitrogen-containing liquid introduction step is a step of introducing liquid nitrogen obtained by being condensed in the first condenser as a reflux liquid into the upper part of the second rectification column. The first condenser is configured to exchange heat between the gas stored at the top of the first rectifying column and the liquid stored at the bottom of the second rectifying column. The temperature of the nitrogen-containing liquid introduced into the second rectification column is, for example, −192 ° C. or higher and −175 ° C. or lower.
The acid-nitrogen-containing liquid led out from the first condenser may be cooled by passing through the subcooler before being introduced into the second rectification column, but may not be passed through the subcooler.
(アルゴン含有ガス導入工程)
アルゴン含有ガス導入工程は、第二精留塔の下部から導出されたアルゴン含有ガスが、第三精留塔に導入される工程である。第三精留塔に導入されたアルゴン含有ガスは、精留により酸素富化アルゴン含有液体と製品アルゴンに分離される。
(Argon-containing gas introduction process)
The argon-containing gas introduction step is a step in which the argon-containing gas derived from the lower part of the second rectification column is introduced into the third rectification column. The argon-containing gas introduced into the third rectification column is separated into oxygen-enriched argon-containing liquid and product argon by rectification.
(製品アルゴンガス導出工程)
製品アルゴンガス導出工程は、第三精留塔で得られた製品アルゴンガスを第三精留塔から導出する工程である。製品アルゴンガスの純度は例えば99.9%以上である。
(Product argon gas derivation process)
The product argon gas deriving step is a step of deriving the product argon gas obtained in the third rectifying column from the third rectifying column. The purity of the product argon gas is, for example, 99.9% or more.
(製品窒素ガス導出工程)
製品窒素ガス導出工程は、第二精留塔の塔頂部から製品窒素ガスを導出する工程である。製品窒素ガスの純度は例えば99.9999%以上である。第二精留塔の塔頂部から導出された製品窒素ガスの温度は例えば−192℃以上−175℃以下であってもよく、製品窒素ガスはサブクーラにおいて酸素富化液、および/または液体窒素を冷却してもよいが、サブクーラは設けられなくともよい。製品窒素ガスはさらに主熱交換器に冷端側から導入され、原料空気との熱交換を行った後に温端側から導出される。主熱交換器から導出される製品窒素ガスの温度は例えば0℃以上であってもよい。
(Product nitrogen gas derivation process)
The product nitrogen gas deriving step is a step of deriving product nitrogen gas from the top of the second rectification column. The purity of the product nitrogen gas is, for example, 99.9999% or more. The temperature of the product nitrogen gas derived from the top of the second rectification column may be, for example, -192 ° C or more and -175 ° C or less, and the product nitrogen gas contains oxygen-enriched liquid and / or liquid nitrogen in the subcooler. Although it may cool, a subcooler does not need to be provided. The product nitrogen gas is further introduced into the main heat exchanger from the cold end side, and after the heat exchange with the raw material air, it is led out from the warm end side. The temperature of the product nitrogen gas derived from the main heat exchanger may be 0 ° C. or higher, for example.
(膨張工程)
膨張工程、凝縮器ガスと中間部ガスとの混合ガスが、主熱交換器において寒冷を放出した後に膨張冷却され、膨張冷却されたガスが再度主熱交換器において寒冷を放出する工程である。凝縮器ガスと中間部ガスとの混合ガスは、例えば−185℃以上−165℃以下の温度で主熱交換器の冷端側に導入される。そこで原料空気との熱交換を行うことにより寒冷が放出され、該混合ガスの温度は例えば−120℃以上−80℃以下になる。該混合ガスは膨張タービンで膨張冷却されて、その温度は例えば−140℃以上−100℃以下になり、主熱交換器の冷端側に再度導入される。ここで該混合ガスは、原料空気との熱交換を行い、寒冷を放出した後に主熱交換器の温端側から放出される。
凝縮器ガスの酸素濃度は例えば99%以上であるが、中間部ガスと混合させることにより酸素濃度は例えば70%以上97%以下にまで低減される。
(Expansion process)
The expansion process is a process in which the mixed gas of the condenser gas and the intermediate part gas is expanded and cooled after releasing the cold in the main heat exchanger, and the expanded and cooled gas releases the cold again in the main heat exchanger. The mixed gas of the condenser gas and the intermediate gas is introduced to the cold end side of the main heat exchanger at a temperature of, for example, −185 ° C. or more and −165 ° C. or less. Therefore, cold is released by performing heat exchange with the raw air, and the temperature of the mixed gas becomes, for example, −120 ° C. or more and −80 ° C. or less. The mixed gas is expanded and cooled by an expansion turbine, and the temperature thereof becomes, for example, −140 ° C. or higher and −100 ° C. or lower, and is again introduced to the cold end side of the main heat exchanger. Here, the mixed gas performs heat exchange with the raw material air, and after releasing cold, it is released from the warm end side of the main heat exchanger.
The oxygen concentration of the condenser gas is, for example, 99% or more, but the oxygen concentration is reduced to, for example, 70% or more and 97% or less by mixing with the intermediate gas.
(実施形態1)
実施形態1の製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置について、図1を参照し説明する。
実施形態1に係る製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置100は、主熱交換器1と、第一精留塔2と、第二精留塔5と、第三精留塔6と、窒素含有液導入配管11と、第一酸素富化液導入配管12と、第二酸素富化液導入配管13と、凝縮器ガス導出配管14と、中間部ガス導出配管15と、膨張タービン8と、製品窒素ガス導出配管16と、アルゴン含有ガス導入配管17と、製品アルゴン導出配管18と、を備える。
(Embodiment 1)
The apparatus for producing product nitrogen gas and product argon of
The
製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスの製造装置100は深冷分離により窒素ガスおよびアルゴンガスを製造する装置であり、製品ガスとして使用する酸素ガスは製造しなくてもよい装置である。
The
主熱交換器1は原料空気を冷却する熱交換器である。主熱交換器に導入される前に、原料空気例えば原料空気量は1000Nm3/hである)は圧縮機(不図示)により圧縮され、所定の不純物を除去されている。所定の不純物とは、特に限定されず、熱交換器などを閉塞する原因となる炭酸ガス、水分などであってもよい。
主熱交換器1内部では、原料空気と、後述する製品窒素ガス、凝縮器ガス、および中間部ガスの少なくとも1つとが熱交換を行う。これにより、原料空気はその液化点近くまで冷却される。原料空気の温度は例えば、主熱交換器1導入時には20℃であり、例えば―170℃からー155℃にまで主熱交換器1で冷却される。
The
Inside the
第一精留塔2では、主熱交換器1で冷却された原料空気が導入され、精留される。第一精留塔2の理論段数は30段から80段であり、例えば50段とすることができる。第一精留塔2の運転圧力範囲は7barA〜15barAであり、運転圧力は例えば9barAとすることができる。
In the
第二精留塔5では、塔頂部から製品窒素ガスが取り出される。第二精留塔5の理論段数は40段から120段であり、例えば80段とすることができる。第二精留塔5の運転圧力範囲は1.5barA〜6barAであり、運転圧力は例えば2.5barAとすることができる。
In the
第三精留塔6では、製品アルゴンガスが取り出される。第三精留塔6の理論段数は100段から300であり、例えば180段とすることができる。第三精留塔6の運転圧力範囲は1.5barA〜6barAであり、運転圧力は例えば2.5barAとすることができる。
In the
第一精留塔の塔頂部に貯留されたガスと前記第二精留塔の塔底部に貯留された液とを熱交換するように第一凝縮器3が配置される。第一精留塔2では、原料空気が酸素富化液と窒素ガスに分離され、酸素富化液は第一精留塔2の塔底部に貯留される。第一凝縮器3では、分離された窒素ガスが凝縮され、液体窒素となる。第一凝縮器3の上に配置される第二精留塔5の内部を下降することにより後述する酸素富化液が第一凝縮器3の冷媒として利用される。
第一凝縮器3において凝縮して得られた液体窒素の少なくとも一部(例えば、第一凝縮器3で凝縮した液体窒素の10%以上97%)は窒素含有液導入配管11を経由して第二精留塔5の上部へ還流液として導入される。第二精留塔5の上部とは、第二精留塔5の内部の精留部の最上段よりも上であり、例えば第二精留塔5の理論段数が80段である場合には、80段目よりも上方である。
なお、第二精留塔2は第一凝縮器3の上方に配置されても良いが、横方向に配置されることも出来る。
The
At least a part of the liquid nitrogen obtained by condensing in the first condenser 3 (for example, 10% or more 97% of the liquid nitrogen condensed in the first condenser 3) passes through the nitrogen-containing
The
第一精留塔2の塔底部に貯留された酸素富化液は、酸素富化液導出配管21により第一精留塔の塔底部から導出される。この酸素富化液の一部または全部((例えば、塔底部に貯留された酸素富化液の10%以上100%以下)は第一酸素富化液導入配管12を経由して第二精留塔5へ導入され、第一精留塔2の塔底部に貯留された酸素富化液のうち第二精留塔5へ導入されない部分は第二酸素富化液導入配管13を経由して第三精留塔6へ導入される。
The oxygen-enriched liquid stored at the bottom of the
第一酸素富化液導入配管12の、第二精留塔5側の取り付け位置は窒素含有液導入配管11および後述する中間部ガス導出配管15よりも下である。
窒素含有液導入配管11の、第二精留塔5側の取り付け位置は、たとえば第二精留塔内の精留充填剤が充填された位置よりも上である。第一酸素富化液導入配管12の第二精留塔5側の取り付け位置は、たとえば第二精留塔の高さの2/4よりも上であり、3/4よりも下であってもよい。
理論段数で算出する場合においては、第一酸素富化液導入配管12の、第二精留塔5側の取り付け位置は、例えば前段数に0.5以上0.7以下を乗じた段数に相当する位置である。具体的には、第二精留塔5理論段数が80段である場合には、40段目(80×0.5=40)よりも上方であり、かつ、56段目(80×0.7=56)よりも下方である。
第二酸素富化液導入配管13は、第三精留塔6の上方に配置される第二凝縮器に酸素富化液が導入されるように配置される。第二酸素富化液導入配管13を経由した酸素富化液は、第三精留塔6内部を上昇するアルゴンガスを凝縮させるために、第二凝縮器7において冷媒として利用される。第二凝縮器7において気化した酸素富化液は第二凝縮器7から排出された後に、第一酸素富化液導入配管12に合流し、第二精留塔5に導入されてもよい。
The attachment position of the first oxygen-enriched liquid introduction pipe 12 on the
The attachment position of the nitrogen-containing
In the case of calculating the number of theoretical plates, the mounting position of the first oxygen-enriched liquid introduction pipe 12 on the
The second oxygen-enriched
凝縮器ガス導出配管14は、第一精留塔2の塔頂部に貯留されたガスと第二精留塔5の塔底部に貯留された液とを熱交換するように構成される第一凝縮器3から排出される凝縮器ガスを導出させる配管である。凝縮器ガス中の酸素濃度は例えば99.9%以上である。
The condenser
中間部ガス導出配管15は、第二精留塔5の中間部から中間部ガスを導出させる配管である。中間部ガス導出配管15は、窒素含有液導入配管11の第二精留塔側の取り付け位置よりも下方であり、かつ、第一酸素富化液導入配管12の前記第二精留塔側の取り付け位置よりも上方である。第二精留塔5の理論段数が80段である場合には、中間部ガス導出配管15の取り付け位置は例えば56段以上79段以下の位置である。中間部ガス中の窒素濃度は例えば80%以上99%以下である。
凝縮器ガス導出配管14と、中間部ガス導出配管15とは、主熱交換器1の前段で合流し、そこで中間部がスト凝縮器ガスは混合される。混合されたガス中の酸素濃度は例えば70%以上97%以下である。
凝縮器ガスの導出流量に対する、中間部ガスの導出流量の比は0.1以上2以下であってもよく、好ましくは0.2以上0.5以下であってもよい。
The intermediate part
The condenser
The ratio of the outlet flow of the intermediate gas to the outlet flow of the condenser gas may be 0.1 or more and 2 or less, and preferably 0.2 or more and 0.5 or less.
膨張タービン8は、主熱交換器1を経由して、主熱交換器1の内部で原料空気との熱交換を行うことにより寒冷を放出した後の中間部ガスおよび凝縮器ガスの混合ガスを膨張冷却される膨張タービンである。最初に主熱交換器に導入されるときの、中間部ガスおよび凝縮器ガスの混合ガスの温度は例えば−185℃以上−165℃以下であり、主熱交換器1から導出されて膨張タービン8に導入される前の温度は例えば−120℃以上−80℃以下である。この混合ガスは、膨張タービン8により膨張冷却されて、例えば−140℃以上−100℃以下の温度となる。膨張冷却された混合ガスは再度、主熱交換器1に導入され、原料空気との熱交換を行うことにより寒冷を放出した後に、主熱交換器1から排出される。
The expansion turbine 8 exchanges the mixed gas of the intermediate gas and the condenser gas after releasing the cold by performing heat exchange with the raw material air inside the
製品窒素ガス導出配管16は、第二精留塔5の塔頂部から製品窒素ガスを導出させる配管である。導出された製品窒素ガスの温度は例えば−192℃以上−175℃以下の範囲であり、そのまま窒素ガスとして供給されてもよいが、主熱交換器1に導入され、原料空気との熱交換を行うことにより寒冷を放出して、例えば0℃以上〜20℃以下の温度の窒素ガスとして供給されてもよい。さらに主熱交換器1の導入前にサブクーラ4において熱交換を行ってもよい。
The product nitrogen
サブクーラ4の内部では、窒素含有液および酸素富化液と、製品窒素ガスが熱交換を行う。すなわち、サブクーラ4の内部では、製品窒素ガスの寒冷を利用して、窒素含有液および酸素富化液が冷却される。
窒素含有液および酸素富化液が冷却されることにより、窒素含有液および酸素富化液が第二精留塔5内部で多量に気化して第二精留塔5の精留効率を低下させる現象を抑制させることができるが、サブクーラは設置しなくても良い。
Inside the
By cooling the nitrogen-containing liquid and the oxygen-enriched liquid, the nitrogen-containing liquid and the oxygen-enriched liquid are vaporized in a large amount inside the
サブクーラ4が設置されない場合には、第一凝縮器3において凝縮した窒素含有液は、直接窒素含有液導入配管11により第二精留塔5の上部へ導入される。同様に、第一精留塔2の塔底部から、酸素富化液導出配管21を経由して導出された酸素富化液は、直接第二精留塔5の中間部へ導入される。第二精留塔4の塔頂部から製品窒素ガス導出配管16を経由して導出された製品窒素ガスは直接主熱交換器1へ導入され、製品窒素ガスの寒冷を利用した後に、主熱交換器1から排出される。
When the
アルゴン含有ガス導入配管17は、第二精留塔5の下部からアルゴン含有ガスを第三精留塔6に導入させる配管である。アルゴン含有ガス導入配管17の、第二精留塔5側の取り付け位置は、第一酸素富化液導入配管12よりも下方であり、例えば第二精留塔5の理論段数が80段の場合、20段以上40段以下の位置である。
The argon-containing gas introduction pipe 17 is a pipe that introduces an argon-containing gas into the
第三精留塔6に導入されたアルゴン含有ガスは、精留により酸素富化アルゴン含有液体と製品アルゴンガスに分離される。製品アルゴンガスは製品アルゴンガス導出配管18から導出される。一方、第三精留塔6の塔底部に貯留された酸素富化アルゴン含有液体は、アルゴン含有液体導出配管19を経由して第二精留塔5に導入される。アルゴン含有液体導出配管19の位置は、製品アルゴンガス導出配管18よりも下方である。
The argon-containing gas introduced into the
(実施形態2)
実施形態2の製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置101について、図2を参照し説明する。実施形態1の製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置と同じ符号の要素は同じ機能を有するので、その説明を省略する。
実施形態2において、中間部ガスは、中間部ガス導出配管152を経由してサブクーラ4に導入される。サブクーラ4において中間部ガスはー170℃程度まで温度が上昇された後に、凝縮器ガスと混合する。
これにより、酸素富化液および/または窒素含有液をさらに冷却することが可能となり、第二および第三精留塔における精留効率を向上させることができる。
(Embodiment 2)
The
In the second embodiment, the intermediate part gas is introduced into the
As a result, the oxygen-enriched liquid and / or the nitrogen-containing liquid can be further cooled, and the rectification efficiency in the second and third rectification columns can be improved.
中間部ガス導出配管152は、サブクーラ4を経由して、第一合流点25において凝縮器ガス導出配管14に接続される。第一合流点は、サブクーラ4の後段であって、膨張タービン8の前段に位置する。膨張タービンに導入される前の、中間部ガスと凝縮器ガスとの混合ガスが、主熱交換器1に導入される場合には、第一合流点は、サブクーラ4の後段であって、主熱交換器1の前段に位置する。
第一合流点25において、中間部ガスと凝縮器ガスが混合されて混合ガスが生成される。該混合ガス中の酸素濃度は例えば70%以上97%以下であることから、高濃度酸素に対応しうる特殊な膨張タービンを使用する必要はない。
The intermediate
At the
(実施形態3)
実施形態3の製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置102について、図3を参照し説明する。実施形態1または実施形態2の製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置と同じ符号の要素は同じ機能を有するので、その説明を省略する。
第三精留塔6に配置された第二凝縮器の上部に、第二凝縮器において蒸発した酸素富化液を精留する第四精留塔9を配置しても良い。第二凝縮器において気化した酸素富化液は第四精留塔9で、さらに酸素富化された液と、窒素富化されたガスに分離される。ここで窒素富化されたガスは、第四精留塔9の塔頂部すなわち第三精留塔6の塔上部から取出され、ガス相側の第一酸素富化液導入配管121を経由して第二精留塔へ導入される。一方、第四精留塔9においてさらに酸素富化された液は、第二凝縮器7に貯留され、液相側の第一酸素富化液導入配管122を経由して第二精留塔へ導入される。このように第四精留塔9でガス相と液相とに分離された酸素富化液を、それぞれ第二精留塔5に導入することにより、第二精留塔の精留効率を向上させることが可能となる。
(Embodiment 3)
The product nitrogen gas and product
A fourth rectifying column 9 for rectifying the oxygen-enriched liquid evaporated in the second condenser may be disposed above the second condenser disposed in the
実施形態3において、第一精留塔2の塔底部に貯留された酸素富化液は、酸素富化液導出配管21により第一精留塔2から導出される。続いて酸素富化液は第二酸素富化液導入配管133から第四精留塔9の上部へ導入され、第四精留塔9を経由して第二凝縮器7へ導入される。
酸素富化液導出配管を経由する酸素富化液は、サブクーラ4へ導入されてもよいが、導入されなくてもよい。
In the third embodiment, the oxygen-enriched liquid stored at the bottom of the
The oxygen-enriched liquid that passes through the oxygen-enriched liquid outlet pipe may be introduced into the
(別実施形態)
別実施形態として、実施形態3における中間部ガス導出配管15が、サブクーラ4を経由する構成とすることも可能である。
(Another embodiment)
As another embodiment, the intermediate part
(実施形態4)
実施形態4の製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置103について、図4を参照し説明する。実施形態1〜32の製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置と同じ符号の要素は同じ機能を有するので、その説明を省略する。
実施形態1ないし実施形態3では、第一精留塔2の上に第一凝縮器3が配置され、さらに第一凝縮器3の上に第二精留塔5が配置されている。しかしこのように上方向へと積み上げると精留塔全体の高さが非常に高くなり、建設、設置が困難になることがある。そこで実施形態4では第二精留塔の上部に該当する部分(541で図示する)を第一精留塔2および第一凝縮器3の横に配置することとした。
(Embodiment 4)
The
In the first to third embodiments, the
実施形態4では、第二精留塔が、図4において542で示すセクションと、541で示すセクションとの2つのセクションから構成されている。第二精留塔の第一セクション541の塔底部には、第二セクション542の塔頂部から、配管41を通じてガスが供給される。一方、第二セクション542の塔頂部には、第一セクション541の塔底部から、配管42と環流液ポンプ30を経由して、流体が供給される。
中間部ガス導出配管154は第二精留塔の上部541の中間部から中間部ガスを導出させ、凝縮器ガス導出配管14と合流する。
In
The intermediate part gas outlet pipe 154 guides the intermediate part gas from the intermediate part of the
同様に第四精留塔9も必要に応じて2つのセクションに分割され、第四精留塔の上部は、第三精留塔6および第二凝縮器7の横方向に配置することが可能である。
Similarly, the fourth rectifying column 9 is divided into two sections as required, and the upper portion of the fourth rectifying column can be arranged in the lateral direction of the
(実施例1)
実施形態1にかかる窒素製造装置100(図2に示す)を用いて、原料として窒素75.6重量%を有し、温度20℃、圧力9.0barAを有する空気を1295kg/hr使用した場合の、各部における圧力(barA)、温度(℃)、流量(kg/h)等をシミュレーションにより実証した。
(Example 1)
Using the
(結果)
原料空気圧縮機(不図示)により、外部より取り入れた原料空気圧力は1.013barAから9.0barAへと昇圧される。
その後、除去部において炭酸ガス、水分を除去された原料空気は主熱交換器1へ導入される。主熱交換器1の導入時の原料空気の温度は20℃である。
主熱交換器1から導出された原料空気の温度は−160℃である。原料空気は第一精留塔2へ導入され、精留される。第一精留塔2の運転圧は8.8barAである。第一精留塔2の理論段数は50段である。
第一精留塔2の塔底部に貯留された酸素富化液のうち10重量%は、第一酸素富化液導入配管12を経由して、温度−180℃で第二精留塔5の、理論段50の位置に導入される。第一精留塔2の塔底部に貯留された酸素富化液のうち第二精留塔5に導入されなかった部分は、第二酸素富化液導入配管13を経由して、温度−180℃で第三精留塔6の第二凝縮器へと導入される。
第一精留塔の上部に分離された窒素ガスは、第一凝縮器3で凝縮され、液体窒素を生成する。得られた窒素のうち40重量%は窒素含有液導入配管11を経由して、温度−190℃で第二精留塔5の上部へと導入される。導入位置は理論段数80の位置よりも上方である。第一精留塔2と第二精留塔5の中間に配置された第一凝縮器の上部からは、酸素ガスを99重量%含有する凝縮器ガスが、凝縮器ガス導出配管14から排出される。
第二精留塔5の中間部からは、中間部ガス導出配管15を経由して中間部ガスが排出される。中間部ガスの組成は窒素85重量%、酸素13重量%、アルゴン2重量%である。中間部ガス導出配管15の取り付け位置は、理論段数55段の位置である。
中間部ガスと、凝縮器ガスとは混合され、混合ガスとなって、温度−170℃で主熱交換器1へ導入され、寒冷を放出する。混合ガスの酸素濃度は84%である。その後、主熱交換器1から導出された混合ガスはー110℃で膨張タービン8に導入され、膨張冷却されて、温度−130℃で再度主熱交換器1に導入される。その後、主熱交換器1の内部で原料空気との熱交換を行い、寒冷を放出して、主熱交換器1から排出される。
第二精留塔5の塔頂部からは、製品窒素ガス導出配管16を経由して温度−185℃の製品窒素ガス(純度は99.99重量%である)が導出される。製品窒素ガスはサブクーラ4で熱交換によりー170℃まで温度が上昇され、その後さらに主熱交換器1において寒冷を放出して、15℃の製品窒素ガスとなる。製品窒素ガスの純度は99.99重量%であり、アルゴン含有量は10ppm、酸素含有量は100ppbであった。
第二精留塔5の下部からはアルゴン含有ガス(アルゴン濃度は10重量%である)が、アルゴン含有ガス導入配管17を経由して第三精留塔6に導入され、精留される。第三精留塔6の運転圧力は2.5barAであり、理論段数は200段である。製品アルゴン導出配管18が第二凝縮器の下部に配置され、純度99.9重量%の製品アルゴンが導出される。
第三精留塔6の塔底部に貯留された酸素富化アルゴン含有液体は、アルゴン含有液体導出配管19を経由して第二精留塔5へ返送される。アルゴン含有液体は、酸素92重量%とアルゴン8重量%を含有する。
第三精留塔6の上部に配置された第二凝縮器7の上部からは、気化した酸素富化液が排出され、第一酸素富化液導入配管12に合流して第二精留塔5へと導入される。
(result)
The raw material air pressure taken from outside is increased from 1.013 barA to 9.0 barA by a raw material air compressor (not shown).
Thereafter, the raw material air from which carbon dioxide and moisture have been removed in the removing section is introduced into the
The temperature of the raw material air derived from the
10% by weight of the oxygen-enriched liquid stored at the bottom of the
The nitrogen gas separated in the upper part of the first rectifying column is condensed in the
From the intermediate part of the
The intermediate part gas and the condenser gas are mixed to form a mixed gas, which is introduced into the
From the top of the
Argon-containing gas (argon concentration is 10% by weight) is introduced into the
The oxygen-enriched argon-containing liquid stored at the bottom of the
The vaporized oxygen-enriched liquid is discharged from the upper part of the second condenser 7 disposed at the upper part of the
以上のような構成により、温度20℃、圧力2.2barAの製品窒素ガス(935kg/hr)および温度−175℃、圧力2.3barAの製品アルゴン(14kg/hr)を得ることができた。製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造に必要なエネルギーは110kWであり、中間部ガスおよび凝縮器ガスの寒冷を有効に利用することができたため、エネルギー効率で製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスを製造できたといえる。また、製造にあたり、酸素ガスの使用に耐えうる特殊材料ではなく、一般的に用いられる膨張タービンを使用することができた。さらに、中間部ガス導出配管15を設けることにより、製品窒素ガス中のアルゴンおよび酸素濃度を低減することができ、高純度の製品窒素ガスを得ることができた。
With the above configuration, product nitrogen gas (935 kg / hr) having a temperature of 20 ° C. and a pressure of 2.2 barA and product argon (14 kg / hr) having a temperature of −175 ° C. and a pressure of 2.3 barA could be obtained. The energy required for the production of product nitrogen gas and product argon is 110 kW, and since the cold of the intermediate part gas and the condenser gas could be used effectively, product nitrogen gas and product argon gas could be produced with energy efficiency. I can say that. Further, in the production, not a special material that can withstand the use of oxygen gas, but a commonly used expansion turbine could be used. Furthermore, by providing the intermediate part
1. 主熱交換器
2. 第一精留塔
3. 第一凝縮器
4. サブクーラ
5. 第二精留塔
6. 第三精留塔
7. 第二凝縮器
8. 膨張タービン
9. 第四精留塔
11. 窒素含有液導入配管
12. 第一酸素富化液導入配管
13. 第二酸素富化液導入配管
14. 凝縮器ガス導出配管
15. 中間部ガス導出配管
16. 製品窒素ガス導出配管
17. アルゴン含有ガス導入配管
18. 製品アルゴン導出配管
19. アルゴン含有液体導出配管
21. 酸素富化液導出配管
22. 第三酸素富化液導入配管
23. 第四精留塔塔頂部ガス導入配管
25. 第一合流点
100. 製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置
1. 1. Main heat exchanger
25.
(発明1)
本発明に係る製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスの製造方法は、
所定の不純物が除去された原料空気が冷却される冷却工程と、
前記冷却工程で冷却された前記原料空気が第一精留塔に導入される原料空気導入工程と、
前記第一精留塔の塔底部から導出された酸素富化液が第二精留塔に導入される第一酸素富化液導入工程と、
前記第一精留塔の塔底部から導出された酸素富化液の少なくとも一部が第三精留塔に配置された第二凝縮器に導入される第二酸素富化液導入工程と、
第一凝縮器において凝縮された窒素含有液を前記第二精留塔上部に還流液として導入する窒素含有液導入工程と、
前記第二精留塔の中間部から導出された中間部ガスと、前記第一精留塔の塔頂部に貯留されたガスと前記第二精留塔の塔底部に貯留された液とを熱交換するように構成される第一凝縮器から導出された凝縮器ガスとの混合ガスの少なくとも一部が、主熱交換器において原料空気との熱交換を行うことにより寒冷を放出させた後に膨張されて寒冷を発生させ、前記主熱交換器に再度導入されることによりさらに寒冷を放出させる、膨張工程と、
前記第二精留塔の下部から導出されたアルゴン含有ガスが前記第三精留塔に導入されるアルゴン含有ガス導入工程と、
前記第二精留塔の塔頂部から製品窒素ガスが導出される製品窒素ガス導出工程と、
前記第三精留塔の中間部から製品アルゴンが導出される製品アルゴン導出工程と、を含む。
(Invention 1)
The production method of product nitrogen gas and product argon gas according to the present invention is as follows:
A cooling step in which the raw air from which predetermined impurities are removed is cooled;
A raw air introduction step in which the raw air cooled in the cooling step is introduced into the first fractionator;
A first oxygen-enriched liquid introduction step in which the oxygen-enriched liquid derived from the bottom of the first rectifying column is introduced into the second rectifying column;
A second oxygen-enriched liquid introducing step in which at least a part of the oxygen-enriched liquid derived from the bottom of the first rectifying column is introduced into a second condenser disposed in the third rectifying column;
And nitrogen containing liquid introducing step of introducing a flowing liquid changing the nitrogen-containing liquid which has been condensed in the first condenser to the second rectification column top,
The intermediate gas derived from the intermediate part of the second rectification tower, the gas stored at the top of the first rectification tower and the liquid stored at the bottom of the second rectification tower are heated. Expansion after at least part of the gas mixture with the condenser gas derived from the first condenser configured to be exchanged releases the cold by performing heat exchange with the raw air in the main heat exchanger Expansion step , generating cold and releasing further cold by being reintroduced into the main heat exchanger ;
An argon-containing gas introduction step in which an argon-containing gas derived from the lower part of the second rectification column is introduced into the third rectification column;
A product nitrogen gas derivation step in which product nitrogen gas is derived from the top of the second rectification column;
A product argon deriving step in which product argon is derived from an intermediate portion of the third rectifying column.
第一精留塔で凝縮された窒素含有液は、窒素含有液導入工程において、第二精留塔上部に還流液として導入される。
第一精留塔の凝縮器は、第一精留塔の塔頂部に貯留されたガスと第二精留塔の塔底部に貯留された液とを熱交換するように構成される。該凝縮器からは凝縮器ガスが導出される。凝縮器において凝縮されたガスは還流液として第一精留塔に供給され、凝縮器において気化された液は凝縮器ガスとして第二精留塔に供給される。第二精留塔の下部からアルゴン含有ガスが導出されるため、凝縮器ガスの主成分は酸素となる。深冷分離によってアルゴンを製造するためには、ほとんどすべての酸素を高純度に濃縮して回収する必要があるためである。さもなければ、アルゴンは酸素と沸点が非常に近いため、酸素流にアルゴンが容易に混入して流出し、アルゴンの回収ができなくなる。したがって、第二精留塔の低部から導出される凝縮器ガスは、ほぼ100%の純酸素ガスとなる。
Nitrogen-containing liquid that has been condensed in the first rectification column, the nitrogen-containing liquid introducing step is introduced as the flowing liquid instead of the second rectification column top.
The condenser of the first rectifying column is configured to exchange heat between the gas stored at the top of the first rectifying column and the liquid stored at the bottom of the second rectifying column. A condenser gas is derived from the condenser. The gas condensed in the condenser is supplied as a reflux liquid to the first rectification column, and the liquid vaporized in the condenser is supplied as a condenser gas to the second rectification column. Since the argon-containing gas is derived from the lower part of the second rectification column, the main component of the condenser gas is oxygen. This is because in order to produce argon by cryogenic separation, it is necessary to concentrate and recover almost all oxygen to high purity. Otherwise, since argon has a boiling point very close to that of oxygen, argon easily flows out into the oxygen stream and cannot be recovered. Therefore, the condenser gas derived from the lower part of the second rectification column is almost 100% pure oxygen gas.
(発明2)
本発明にかかる製品窒素ガスおよび製品アルゴンガスの製造装置(100;101;102;103)は、
所定の不純物が除去された原料空気を冷却する主熱交換器(1)と、
冷却された前記原料空気が導入される第一精留塔(2)と、
製品窒素ガスが導出される第二精留塔(5)と、
製品アルゴンが導出される第三精留塔(6)と、
前記第一精留塔の塔頂部に貯留されたガスと前記第二精留塔の塔底部に貯留された液とを熱交換するように構成される第一凝縮器(3)と、
前記第一凝縮器(3)において凝縮された窒素含有液の少なくとも一部を還流液として、前記第二精留塔に導入させる窒素含有液導入配管(11)と、
前記第二精留塔の下部から、アルゴン含有ガスを前記第三精留塔に導入させるアルゴン含有ガス導入配管(17)と、
前記第三精留塔の塔底部から、アルゴン含有液体を前記第二精留塔に導入させるアルゴン含有液体導出配管(19)と、
前記第一凝縮器(3)の気相部から凝縮器ガスを導出させる、凝縮器ガス導出配管(14)と、
前記第二精留塔の中間部から中間部ガスを導出させる、中間部ガス導出配管(15)と、
前記凝縮器ガスと、前記中間部ガスとの混合ガスを、前記主熱交換器(1)を経由させた後に、膨張冷却させる膨張タービン(8)と、
前記膨張タービン(8)において膨張冷却されたガスを前記主熱交換器(1)に導入する配管と、
前記第二精留塔から前記製品窒素ガスを導出させる製品窒素ガス導出配管(16)と、
前記第三精留塔の中間部から前記製品アルゴンを導出させる、製品アルゴン導出配管(18)と、を備える。
なお、本明細書にカッコ書きで記載された符号は一実施形態を示すものであって、これに限られるものではない。
(Invention 2)
The apparatus for producing product nitrogen gas and product argon gas (100; 101; 102; 103) according to the present invention comprises:
A main heat exchanger (1) for cooling the raw air from which predetermined impurities have been removed;
A first rectifying column (2) into which the cooled raw air is introduced;
A second rectification column (5) from which product nitrogen gas is derived;
A third rectification column (6) from which product argon is derived;
A first condenser (3) configured to exchange heat between the gas stored at the top of the first rectifying column and the liquid stored at the bottom of the second rectifying column;
At least a portion as the changing the flow through a nitrogen-containing liquid introducing pipe for introducing into the second rectification column nitrogen-containing liquid which has been condensed (11) in said first condenser (3),
An argon-containing gas introduction pipe (17) for introducing an argon-containing gas into the third rectification column from the lower part of the second rectification column;
An argon-containing liquid outlet pipe (19) for introducing an argon-containing liquid into the second rectifying tower from the bottom of the third rectifying tower;
A condenser gas outlet pipe (14) for leading condenser gas from the gas phase part of the first condenser (3);
An intermediate gas outlet pipe (15) for extracting intermediate gas from the intermediate part of the second rectification column;
An expansion turbine (8) for expanding and cooling the mixed gas of the condenser gas and the intermediate gas after passing through the main heat exchanger (1) ;
Piping for introducing the gas cooled and expanded in the expansion turbine (8) into the main heat exchanger (1);
A product nitrogen gas outlet pipe (16) for extracting the product nitrogen gas from the second rectification column;
A product argon outlet pipe (18) for extracting the product argon from an intermediate part of the third rectifying column.
In addition, the code | symbol described in this specification in parentheses shows one Embodiment, Comprising: It is not restricted to this.
(窒素含有液導入工程)
窒素含有液導入工程は、第一凝縮器において凝縮されることにより得られた液体窒素を第二精留塔上部に還流液として導入する工程である。第一凝縮器は第一精留塔の塔頂部に貯留されたガスと前記第二精留塔の塔底部に貯留された液とを熱交換するように構成される。第二精留塔に導入される窒素含有液の温度は例えば−192℃以上−175℃以下である。
第一凝縮器から導出された窒素含有液は、第二精留塔に導入される前にサブクーラを経由することにより冷却されてもよいが、サブクーラを経由しなくてもよい。
(Nitrogen-containing liquid introduction process)
The nitrogen-containing liquid introduction step is a step of introducing liquid nitrogen obtained by being condensed in the first condenser as a reflux liquid into the upper part of the second rectification column. The first condenser is configured to exchange heat between the gas stored at the top of the first rectifying column and the liquid stored at the bottom of the second rectifying column. The temperature of the nitrogen-containing liquid introduced into the second rectification column is, for example, −192 ° C. or higher and −175 ° C. or lower.
The nitrogen-containing liquid led out from the first condenser may be cooled by passing through the subcooler before being introduced into the second rectification column, but may not be passed through the subcooler.
(膨張工程)
膨張工程は、凝縮器ガスと中間部ガスとの混合ガスが、主熱交換器において寒冷を放出した後に膨張冷却され、膨張冷却されたガスが再度主熱交換器において寒冷を放出する工程である。凝縮器ガスと中間部ガスとの混合ガスは、例えば−185℃以上−165℃以下の温度で主熱交換器の冷端側に導入される。そこで原料空気との熱交換を行うことにより寒冷が放出され、該混合ガスの温度は例えば−120℃以上−80℃以下になる。該混合ガスは膨張タービンで膨張冷却されて、その温度は例えば−140℃以上−100℃以下になり、主熱交換器の冷端側に再度導入される。ここで該混合ガスは、原料空気との熱交換を行い、寒冷を放出した後に主熱交換器の温端側から放出される。
凝縮器ガスの酸素濃度は例えば99%以上であるが、中間部ガスと混合させることにより酸素濃度は例えば70%以上97%以下にまで低減される。
(Expansion process)
The expansion process is a process in which the mixed gas of the condenser gas and the intermediate part gas is expanded and cooled after releasing the cold in the main heat exchanger, and the expanded and cooled gas releases the cold again in the main heat exchanger. . The mixed gas of the condenser gas and the intermediate gas is introduced to the cold end side of the main heat exchanger at a temperature of, for example, −185 ° C. or more and −165 ° C. or less. Therefore, cold is released by performing heat exchange with the raw air, and the temperature of the mixed gas becomes, for example, −120 ° C. or more and −80 ° C. or less. The mixed gas is expanded and cooled by an expansion turbine, and the temperature thereof becomes, for example, −140 ° C. or higher and −100 ° C. or lower, and is again introduced to the cold end side of the main heat exchanger. Here, the mixed gas performs heat exchange with the raw material air, and after releasing cold, it is released from the warm end side of the main heat exchanger.
The oxygen concentration of the condenser gas is, for example, 99% or more, but the oxygen concentration is reduced to, for example, 70% or more and 97% or less by mixing with the intermediate gas.
実施形態4では、第二精留塔が、図4において542で示すセクションと、541で示すセクションとの2つのセクションから構成されている。第二精留塔の第一セクション541の塔底部には、第二セクション542の塔頂部から、配管41を通じてガスが供給される。一方、第二セクション542の塔頂部には、第一セクション541の塔底部から、配管42と還流液ポンプ30を経由して、流体が供給される。
中間部ガス導出配管154は第二精留塔の上部541の中間部から中間部ガスを導出させ、凝縮器ガス導出配管14と合流する。
In
The intermediate part gas outlet pipe 154 guides the intermediate part gas from the intermediate part of the
Claims (12)
前記予冷工程で冷却された前記原料空気が第一精留塔に導入される原料空気導入工程と、
前記第一精留塔の塔底部から導出された酸素富化液が第二精留塔に導入される第一酸素富化液導入工程と、
前記第一精留塔の塔底部から導出された酸素富化液の少なくとも一部が第三精留塔に配置された第二凝縮器に導入される第二酸素富化液導入工程と、
前記第一精留塔において凝縮された窒素含有液を前記第二精留塔上部に環流液として導入する窒素含有液導入工程と、
前記第二精留塔の中間部から導出された中間部ガスと、前記第一精留塔の塔頂部に貯留されたガスと前記第二精留塔の塔底部に貯留された液とを熱交換するように構成される凝縮器前記第一精留塔と前記第二精留塔との中間に位置する凝縮器から導出された凝縮器ガスとの混合ガスの少なくとも一部が膨張されて寒冷を発生させる、膨張工程と、
前記第二精留塔の下部から導出されたアルゴン含有ガスが前記第三精留塔に導入されるアルゴン含有ガス導入工程と、
前記第二精留塔の塔頂部から製品窒素ガスが導出される製品窒素ガス導出工程と、
前記第二精留塔の中間部から製品アルゴンが導出される製品アルゴン導出工程と、を含む、製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造方法。 A cooling step in which the raw air from which predetermined impurities are removed is cooled;
A raw air introduction step in which the raw air cooled in the pre-cooling step is introduced into the first fractionator;
A first oxygen-enriched liquid introduction step in which the oxygen-enriched liquid derived from the bottom of the first rectifying column is introduced into the second rectifying column;
A second oxygen-enriched liquid introducing step in which at least a part of the oxygen-enriched liquid derived from the bottom of the first rectifying column is introduced into a second condenser disposed in the third rectifying column;
Introducing a nitrogen-containing liquid condensed in the first rectifying column into the upper part of the second rectifying column as a reflux liquid; and
The intermediate gas derived from the intermediate part of the second rectification tower, the gas stored at the top of the first rectification tower and the liquid stored at the bottom of the second rectification tower are heated. Condenser configured to be exchanged At least part of the mixed gas with the condenser gas derived from the condenser located between the first rectifying column and the second rectifying column is expanded and cooled. Generating an expansion step;
An argon-containing gas introduction step in which an argon-containing gas derived from the lower part of the second rectification column is introduced into the third rectification column;
A product nitrogen gas derivation step in which product nitrogen gas is derived from the top of the second rectification column;
A product nitrogen gas and a product argon production method, comprising: a product argon deriving step in which product argon is derived from an intermediate part of the second rectification column.
冷却された前記原料空気が導入される第一精留塔と、
製品窒素ガスが導出される第二精留塔と、
製品アルゴンが導出される第三精留塔と、
前記第一精留塔の塔頂部に貯留されたガスと前記第二精留塔の塔底部に貯留された液とを熱交換するように構成される第一凝縮器と、
前記第一凝縮器において凝縮された窒素含有液の少なくとも一部を環流液として、前記第二精留塔に導入させる窒素含有液導入配管と、
前記第二精留塔の下部から、アルゴン含有ガスを前記第三精留塔に導入させるアルゴン含有ガス導入配管と、
前記第三精留塔の塔底部から、アルゴン含有液体を前記第二精留塔に導入させるアルゴン含有液体導出配管と、
前記第一凝縮器の気相部から凝縮器ガスを導出させる、凝縮器ガス導出配管と、
前記第二精留塔の中間部から中間部ガスを導出させる、中間部ガス導出配管と、
前記凝縮器ガスと、前記中間部ガスとの混合ガスを膨張冷却させる膨張タービンと、
前記第二精留塔から前記製品窒素ガスを導出させる製品窒素ガス導出配管と、
前記第三精留塔の中間部から前記製品アルゴンを導出させる、製品アルゴン導出配管と、
を備える製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置。 A main heat exchanger for cooling the raw air from which predetermined impurities have been removed;
A first rectifying column into which the cooled raw air is introduced;
A second rectification column from which product nitrogen gas is derived;
A third rectification column from which product argon is derived;
A first condenser configured to exchange heat between the gas stored at the top of the first rectifying column and the liquid stored at the bottom of the second rectifying column;
A nitrogen-containing liquid introduction pipe for introducing at least part of the nitrogen-containing liquid condensed in the first condenser into the second rectification column as a reflux liquid;
From the lower part of the second rectification tower, an argon-containing gas introduction pipe for introducing an argon-containing gas into the third rectification tower,
From the bottom of the third rectifying tower, an argon-containing liquid outlet pipe for introducing an argon-containing liquid into the second rectifying tower,
A condenser gas outlet pipe for extracting the condenser gas from the gas phase portion of the first condenser;
An intermediate part gas outlet pipe for extracting intermediate part gas from the intermediate part of the second fractionator;
An expansion turbine for expanding and cooling a mixed gas of the condenser gas and the intermediate gas;
A product nitrogen gas outlet pipe for extracting the product nitrogen gas from the second fractionator;
A product argon outlet pipe for letting out the product argon from an intermediate part of the third rectifying column;
An apparatus for producing product nitrogen gas and product argon.
前記酸素富化液導出配管から導出された酸素富化液を、前記第三精留塔に配置された第二凝縮器に導入する、第二酸素富化液導入配管と、
前記第二凝縮器から導出される酸素富化液を前記第二精留塔に導入する第三酸素富化液導入配管と、
を備える、請求項2に記載の製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置。 An oxygen-enriched liquid lead-out pipe for deriving the oxygen-enriched liquid stored in the tower bottom of the first rectifying tower from the tower bottom of the first rectifying tower;
A second oxygen-enriched liquid introduction pipe for introducing the oxygen-enriched liquid derived from the oxygen-enriched liquid outlet pipe into a second condenser disposed in the third rectification column;
A third oxygen-enriched liquid introduction pipe for introducing the oxygen-enriched liquid derived from the second condenser into the second rectification column;
The apparatus for producing product nitrogen gas and product argon according to claim 2.
前記第四精留塔の塔頂部から取出した第四精留塔塔頂部ガスを、前記第二精留塔に導入する第四精留塔塔頂部ガス導入配管と、をさらに有し、
前記第三酸素富化液導入配管は、前記第二凝縮器の液相部から液体状態の酸素富化液を前記第二精留塔に導入し、
前記第一精留塔の塔底部に貯留された酸素富化液は、前記第四精留塔の気相部を経由して、前記第二凝縮器に導入される、請求項2または請求項3に記載の製品窒素ガスおよび製品アルゴンの製造装置。 A fourth rectifying column disposed at the top of the second condenser;
A fourth rectifying tower top gas introduction pipe for introducing the fourth rectifying tower top gas taken from the top of the fourth rectifying tower into the second rectifying tower; and
The third oxygen-enriched liquid introduction pipe introduces a liquid oxygen-enriched liquid from the liquid phase part of the second condenser into the second rectification column,
The oxygen-enriched liquid stored at the bottom of the first rectifying column is introduced into the second condenser via the gas phase of the fourth rectifying column. 3. Product nitrogen gas and product argon production apparatus according to 3.
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