JP7588271B1 - Nitrogen production method and nitrogen production device - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、比較的高く、かつ、広範囲の圧力(例えば、7~15barA)の窒素ガスを効率的に生成しつつ、同時にアルゴンを比較的多量に生成することが可能な窒素製造技術を提供することを目的とする。
【解決手段】酸素、窒素、及びアルゴンを含む空気を、圧縮、予冷、及び精製することで得られる原料空気を冷却して得られた高圧低温原料空気と、中圧液化窒素を昇圧して得られた高圧液化窒素とを蒸留して、高圧窒素ガスと高圧液化空気とに分離する高圧塔と、前記原料空気の一部を断熱膨張させて得られた中圧低温原料空気を蒸留して、中圧窒素ガスと中圧液化空気とに分離する中圧塔と、低圧塔と、アルゴン塔と、窒素凝縮器と、アルゴン凝縮器と、製品窒素導出ラインと、製品アルゴン導出ラインと、を備えることを特徴とする窒素製造装置を提供する。
【選択図】図1
The present invention aims to provide a nitrogen production technology capable of efficiently producing nitrogen gas at a relatively high pressure over a wide range (e.g., 7 to 15 barA) while simultaneously producing a relatively large amount of argon.
[Solution] A nitrogen production apparatus is provided which comprises a high-pressure tower that distills high-pressure, low-temperature feed air obtained by cooling feed air obtained by compressing, pre-cooling, and purifying air containing oxygen, nitrogen, and argon, and high-pressure liquefied nitrogen obtained by pressurizing medium-pressure liquefied nitrogen, and separates the high-pressure nitrogen gas and high-pressure liquefied air, a medium-pressure tower that distills medium-pressure, low-temperature feed air obtained by adiabatic expansion of a portion of the feed air, and separates the medium-pressure nitrogen gas and medium-pressure liquefied air, a low-pressure tower, an argon tower, a nitrogen condenser, an argon condenser, a product nitrogen outlet line, and a product argon outlet line.
[Selected Figure] Figure 1
Description
本発明は、窒素製造方法および窒素製造装置に関する。 The present invention relates to a nitrogen production method and a nitrogen production device.
近年、半導体工場向けの窒素製造装置において、多量かつ比較的高圧力(例えば7barA以上)の窒素ガスに加えてアルゴンを要求されるケースが増えている。 In recent years, there has been an increasing demand for argon in addition to large amounts of relatively high-pressure (e.g., 7 barA or higher) nitrogen gas in nitrogen production equipment for semiconductor factories.
特許文献1によれば、原料空気から第1精留塔と第2精留塔で高圧窒素ガスを製造し、後段の酸素塔とアルゴン塔で、少量の酸素とアルゴンを製造することができる。 According to Patent Document 1, high-pressure nitrogen gas is produced from feed air in the first and second fractionation towers, and small amounts of oxygen and argon are produced in the downstream oxygen and argon towers.
また、特許文献2によれば、第1~第4精留塔を用いて、9~12barAの窒素ガスに加えて、酸素とアルゴンを併産することができる。例えば、第1精留塔により9~12barAの窒素ガスを生成し、第1精留塔の凝縮器で気化した流体を複式精留システム(第2~第4精留塔)に供給して高純度酸素とアルゴンを併産することが可能である。更に複式精留システムに組み込まれた第2精留塔で生成される液化窒素を、ポンプで昇圧して第1精留塔に戻すことによって、第1精留塔で生成される窒素ガスの量を増やす(すなわち、窒素回収率を改善する)ことが可能である。
According to
しかしながら、特許文献1で開示されている窒素製造装置は、比較的圧力の高い窒素ガスを生成しつつ、同時に高純度酸素とアルゴンとを生成することが可能であるが、アルゴン回収率が低く、アルゴン量は窒素ガス量の0.5%程度に留まる。 However, although the nitrogen production device disclosed in Patent Document 1 is capable of producing nitrogen gas at a relatively high pressure while simultaneously producing high-purity oxygen and argon, the argon recovery rate is low, with the amount of argon remaining at approximately 0.5% of the amount of nitrogen gas.
また、特許文献2で開示されている空気分離装置は、比較的圧力の高い窒素ガスを生成しつつ、同時に高純度酸素とアルゴンを生成することが可能であるが、第1精留塔の上部に設置された凝縮器で第1精留塔の還流液を生成するため、第1精留塔の運転圧力が制約を受け、9~12barAの範囲外で操作することは困難である。
言い換えれば、特許文献2で開示されている空気分離装置は、第1精留塔の凝縮器で気化する流体の圧力に応じて、液化する窒素ガスの圧力が制限されるため、第1精留塔の運転圧力を9barAより低くすることはできない。
したがって、要求される製品窒素ガスの圧力が9barAよりも低い場合は、第1精留塔で生成された窒素ガスを減圧することになり非効率となる。また、製品窒素ガスの圧力が12barAよりも高い場合は、第1精留塔の凝縮器で気化したガス流体を減圧するなどの操作が必要となり非効率となる。
In addition, the air separation unit disclosed in
In other words, in the air separation unit disclosed in
Therefore, when the required pressure of the product nitrogen gas is lower than 9 barA, the nitrogen gas produced in the first rectification column must be depressurized, which is inefficient. Also, when the pressure of the product nitrogen gas is higher than 12 barA, operations such as depressurizing the gas fluid vaporized in the condenser of the first rectification column are required, which is inefficient.
このように、比較的高く、かつ、広範囲の圧力(例えば、7~15barA)の窒素ガスを効率的に生成しつつ、同時にアルゴンを比較的多量に生成することが可能な窒素製造技術が望まれていたが、有効適切なものがなかった。 There has been a demand for a nitrogen production technology that can efficiently produce nitrogen gas at a relatively high and wide range of pressures (e.g., 7 to 15 barA) while simultaneously producing a relatively large amount of argon, but there has been no effective or suitable technology available.
上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を提供する。
[1]酸素、窒素、及びアルゴンを含む空気を、圧縮、予冷、及び精製することで得られる原料空気を冷却して得られた高圧低温原料空気と、中圧液化窒素を昇圧して得られた高圧液化窒素とを蒸留して、高圧窒素ガスと高圧液化空気とに分離する高圧分離工程と、前記原料空気の一部を断熱膨張させて得られた中圧低温原料空気を蒸留して、中圧窒素ガスと中圧液化空気とに分離する中圧分離工程と、前記高圧液化空気と前記中圧液化空気の少なくとも一方を減圧して得られた低圧液化空気を蒸留して、窒素富化空気と液化酸素とアルゴン富化酸素ガスとに分離する低圧分離工程と、前記アルゴン富化酸素ガスを蒸留して、アルゴンガスとアルゴン富化液化酸素とに分離するアルゴン分離工程と、前記中圧窒素ガスと、前記液化酸素とを間接熱交換させて、前記中圧窒素ガスを液化させて前記中圧液化窒素を生成すると共に、前記液化酸素を気化させて酸素ガスを生成する窒素凝縮工程と、前記アルゴンガスを液化させて液化アルゴンを生成するアルゴン凝縮工程と、前記高圧窒素ガスを製品として導出する製品窒素導出工程と、前記アルゴンガスまたは前記液化アルゴンの一部を製品として導出する製品アルゴン導出工程と、を含むことを特徴とする窒素製造方法。
[2]前記高圧分離工程において、前記高圧低温原料空気と前記高圧液化窒素とを蒸留して、前記高圧窒素ガスと前記高圧液化空気とに加えて、該高圧液化空気よりもアルゴン濃度が高い高圧アルゴン富化液化空気を分離し、該高圧アルゴン富化液化空気を減圧して得られた低圧アルゴン富化液化空気を前記低圧分離工程の原料の一部とすることを特徴とする[1]に記載の窒素製造方法。
[3]前記中圧分離工程において、前記中圧低温原料空気を蒸留して、前記中圧窒素ガスと前記中圧液化空気とに加えて、該中圧液化空気よりもアルゴン濃度が高い中圧アルゴン富化液化空気を分離し、該中圧アルゴン富化液化空気を減圧して得られた低圧アルゴン富化液化空気を前記低圧分離工程の原料の一部とすることを特徴とする[1]に記載の窒素製造方法。
[4]前記低圧分離工程において、前記低圧アルゴン富化液化空気を、前記低圧液化空気よりも下部に供給することを特徴とする[2]に記載の窒素製造方法。
[5]前記低圧分離工程において、前記低圧アルゴン富化液化空気を、前記低圧液化空気よりも下部に供給することを特徴とする[3]に記載の窒素製造方法。
[6]酸素、窒素、及びアルゴンを含む空気を、圧縮、予冷、及び精製することで得られる原料空気を冷却して得られた高圧低温原料空気と、中圧液化窒素を昇圧して得られた高圧液化窒素とを蒸留して、高圧窒素ガスと高圧液化空気とに分離する高圧塔と、前記原料空気の一部を断熱膨張させて得られた中圧低温原料空気を蒸留して、中圧窒素ガスと中圧液化空気とに分離する中圧塔と、前記高圧液化空気と前記中圧液化空気の少なくとも一方を減圧して得られた低圧液化空気を蒸留して、窒素富化空気と液化酸素とアルゴン富化酸素ガスとに分離する低圧塔と、前記アルゴン富化酸素ガスを蒸留して、アルゴンガスとアルゴン富化液化酸素とに分離するアルゴン塔と、前記中圧窒素ガスと、前記液化酸素とを間接熱交換させて、前記中圧窒素ガスを液化させて前記中圧液化窒素を生成すると共に、前記液化酸素を気化させて酸素ガスを生成する窒素凝縮器と、前記アルゴンガスを液化させて液化アルゴンを生成するアルゴン凝縮器と、前記高圧窒素ガスを製品として導出する製品窒素導出ラインと、前記アルゴンガスまたは前記液化アルゴンの一部を製品として導出する製品アルゴン導出ラインと、を備えることを特徴とする窒素製造装置。
[7]前記高圧塔において、前記高圧低温原料空気と前記高圧液化窒素とを蒸留して、前記高圧窒素ガスと前記高圧液化空気とに加えて、該高圧液化空気よりもアルゴン濃度が高い高圧アルゴン富化液化空気を分離し、該高圧アルゴン富化液化空気を減圧して得られた低圧アルゴン富化液化空気を前記低圧塔に導入することを特徴とする[6]に記載の窒素製造装置。
[8]前記中圧塔において、前記中圧低温原料空気を蒸留して、前記中圧窒素ガスと前記中圧液化空気とに加えて、該中圧液化空気よりもアルゴン濃度が高い中圧アルゴン富化液化空気を分離し、該中圧アルゴン富化液化空気を減圧して得られた低圧アルゴン富化液化空気を前記低圧塔に導入することを特徴とする[6]に記載の窒素製造装置。
[9]前記低圧塔において、前記低圧アルゴン富化液化空気の導入部が、前記低圧液化空気の導入部よりも下部にあることを特徴とする[7]に記載の窒素製造装置。
[10]前記低圧塔において、前記低圧アルゴン富化液化空気の導入部が、前記低圧液化空気の導入部よりも下部にあることを特徴とする[8]に記載の窒素製造装置。
In order to solve the above problems, the present invention provides the following means.
[1] A high-pressure separation process in which high-pressure low-temperature feed air obtained by cooling feed air obtained by compressing, pre-cooling, and purifying air containing oxygen, nitrogen, and argon, and high-pressure liquefied nitrogen obtained by pressurizing medium-pressure liquefied nitrogen are distilled to separate them into high-pressure nitrogen gas and high-pressure liquefied air; a medium-pressure separation process in which medium-pressure low-temperature feed air obtained by adiabatic expansion of a portion of the feed air is distilled to separate them into medium-pressure nitrogen gas and medium-pressure liquefied air; and a low-pressure separation process in which low-pressure liquefied air obtained by reducing the pressure of at least one of the high-pressure liquefied air and the medium-pressure liquefied air is distilled to separate them into nitrogen-enriched air, liquefied oxygen, and argon-enriched oxygen gas; a nitrogen condensation step of indirectly exchanging heat between the medium-pressure nitrogen gas and the liquefied oxygen to liquefy the medium-pressure nitrogen gas to produce the medium-pressure liquefied nitrogen and vaporizing the liquefied oxygen to produce oxygen gas; an argon condensation step of liquefying the argon gas to produce liquefied argon; a product nitrogen extraction step of extracting the high-pressure nitrogen gas as a product; and a product argon extraction step of extracting a portion of the argon gas or the liquefied argon as a product.
[2] The nitrogen production method according to [1], characterized in that in the high-pressure separation step, the high-pressure low-temperature feed air and the high-pressure liquefied nitrogen are distilled to separate, in addition to the high-pressure nitrogen gas and the high-pressure liquefied air, high-pressure argon-enriched liquefied air having a higher argon concentration than the high-pressure liquefied air, and the low-pressure argon-enriched liquefied air obtained by reducing the pressure of the high-pressure argon-enriched liquefied air is used as part of the raw material for the low-pressure separation step.
[3] The method for producing nitrogen according to [1], characterized in that in the medium-pressure separation step, the medium-pressure low-temperature feed air is distilled to separate, in addition to the medium-pressure nitrogen gas and the medium-pressure liquefied air, medium-pressure argon-enriched liquefied air having a higher argon concentration than the medium-pressure liquefied air, and the low-pressure argon-enriched liquefied air obtained by reducing the pressure of the medium-pressure argon-enriched liquefied air is used as part of the feed for the low-pressure separation step.
[4] The nitrogen production method according to [2], characterized in that in the low-pressure separation step, the low-pressure argon-enriched liquefied air is supplied below the low-pressure liquefied air.
[5] The nitrogen production method according to [3], characterized in that in the low-pressure separation step, the low-pressure argon-enriched liquefied air is supplied below the low-pressure liquefied air.
[6] A high-pressure column which distills high-pressure low-temperature feed air obtained by cooling feed air obtained by compressing, precooling, and purifying air containing oxygen, nitrogen, and argon, and high-pressure liquefied nitrogen obtained by pressurizing medium-pressure liquefied nitrogen, and separates them into high-pressure nitrogen gas and high-pressure liquefied air, a medium-pressure column which distills medium-pressure low-temperature feed air obtained by adiabatic expansion of a part of the feed air, and separates them into medium-pressure nitrogen gas and medium-pressure liquefied air, a low-pressure column which distills low-pressure liquefied air obtained by reducing the pressure of at least one of the high-pressure liquefied air and the medium-pressure liquefied air, and separates them into nitrogen-enriched air, liquefied oxygen, and argon-enriched oxygen gas, and a nitrogen condenser that performs indirect heat exchange between the medium-pressure nitrogen gas and the liquefied oxygen to liquefy the medium-pressure nitrogen gas to produce the medium-pressure liquefied nitrogen and vaporizes the liquefied oxygen to produce oxygen gas; an argon condenser that liquefies the argon gas to produce liquefied argon; a product nitrogen outlet line for discharging the high-pressure nitrogen gas as a product; and a product argon outlet line for discharging a portion of the argon gas or the liquefied argon as a product.
[7] The nitrogen production apparatus according to [6], characterized in that in the high-pressure column, the high-pressure low-temperature feed air and the high-pressure liquefied nitrogen are distilled to separate, in addition to the high-pressure nitrogen gas and the high-pressure liquefied air, high-pressure argon-enriched liquefied air having a higher argon concentration than the high-pressure liquefied air, and the low-pressure argon-enriched liquefied air obtained by reducing the pressure of the high-pressure argon-enriched liquefied air is introduced into the low-pressure column.
[8] The nitrogen production apparatus according to [6], characterized in that in the medium pressure column, the medium pressure low temperature feed air is distilled to separate, in addition to the medium pressure nitrogen gas and the medium pressure liquefied air, medium pressure argon-enriched liquefied air having a higher argon concentration than the medium pressure liquefied air, and the low pressure argon-enriched liquefied air obtained by reducing the pressure of the medium pressure argon-enriched liquefied air is introduced into the low pressure column.
[9] The nitrogen production apparatus according to [7], characterized in that in the low pressure column, the inlet of the low pressure argon-enriched liquefied air is located lower than the inlet of the low pressure liquefied air.
[10] The nitrogen production apparatus according to [8], characterized in that in the low pressure column, the inlet of the low pressure argon-enriched liquefied air is located lower than the inlet of the low pressure liquefied air.
本発明によれば、比較的高く、かつ、広範囲の圧力(例えば、7~15barA)の窒素ガスを効率的に生成しつつ、同時にアルゴンを比較的多量に生成することができる。 The present invention makes it possible to efficiently produce nitrogen gas at relatively high and wide pressure ranges (e.g., 7 to 15 barA) while simultaneously producing relatively large amounts of argon.
[第1の実施形態]
<窒素製造装置100>
本発明の第1の実施形態の窒素製造装置100について、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の窒素製造方法を適用した窒素製造装置100の系統図である。なお、以下の説明における高圧、中圧、低圧や高温、低温は、各形態例それぞれにおける相対的な圧力や温度の相違を示すものであって、圧力範囲や温度範囲を特定するものではない。
[First embodiment]
<Nitrogen
A
1 is a system diagram of a
本実施形態の窒素製造装置100は、図1に示すように、空気圧縮機1と、空気予冷器2と、空気精製器3と、高圧塔4と、中圧塔5と、低圧塔6と、アルゴン塔7と、窒素凝縮器8と、アルゴン凝縮器9と、アルゴン凝縮器外筒10と、主熱交換器11と、過冷器12と、膨張タービン13と、液化窒素ポンプ14と、を備えている。
As shown in FIG. 1, the
空気圧縮機1、空気予冷器2、及び空気精製器3は、酸素、窒素、及びアルゴンを含む空気を圧縮、予冷、及び精製する装置である。
The air compressor 1,
高圧塔4は、高圧低温原料空気Bと、高圧液化窒素Cとを低温蒸留して、高圧窒素ガスと高圧液化空気と高圧アルゴン富化液化空気とに分離する精留塔である。
The high-
中圧塔5は、中圧低温原料空気Eと、中圧液化窒素Fとを低温蒸留して、中圧窒素ガスと、中圧液化空気とに分離する精留塔である。
The
低圧塔6は、低圧液化空気J、Mと、低圧アルゴン富化液化空気Lと、低圧液化空気Oと、低圧空気Pと、アルゴン富化液化酸素Qと、窒素凝縮器8で気化して得られた酸素ガスとを低温蒸留して、窒素富化空気と、アルゴン富化酸素ガスと、液化酸素とに分離する精留塔である。
The low-
アルゴン塔7は、アルゴン富化酸素ガスSと、液化アルゴンTとを低温蒸留して、アルゴンガスと、アルゴン富化液化酸素とに分離する精留塔である。
The
窒素凝縮器8は、低圧塔6の底部に収納されており、窒素凝縮器8に導入された中圧窒素ガスGと、低圧塔6の底部に溜まった液化酸素とを、間接熱交換させる熱交換器である。
The
アルゴン凝縮器9は、アルゴン凝縮器外筒10に収納されており、アルゴン凝縮器9に導入されたアルゴンガスUを液化させて液化アルゴンを生成する熱交換器である。
The
主熱交換11及び過冷器12は、導入される流体間での熱交換を行い、熱交換後の流体を導出する装置である。
膨張タービン13は、主熱交換器11で冷却された原料空気Aの一部を断熱膨張させて、装置の運転に必要な寒冷を発生させると共に、中圧低温原料空気Eを生成する装置である。
液化窒素ポンプ14は、窒素凝縮器8で液化した中圧液化窒素Fの一部を昇圧して、高圧液化窒素Cを生成する装置である。
The
The
The liquefied
<窒素製造方法>
次に、本実施形態の窒素製造装置100を用いた窒素製造方法について説明する。
大気中からラインL1に導入した酸素、窒素、及びアルゴンを含む空気AIRを、空気圧縮機1で圧縮し、空気予冷器2で予冷し、空気精製器3で精製することで、原料空気Aを得る。そして、得られた原料空気Aを主熱交換器11で冷却して高圧低温原料空気Bを得る。
<Nitrogen production method>
Next, a nitrogen production method using the
Air AIR containing oxygen, nitrogen, and argon is introduced from the atmosphere into line L1, compressed by air compressor 1, precooled by
[高圧分離工程]
高圧分離工程では、ラインL1を介して導入した高圧低温原料空気Bと、ラインL8を介して導入した高圧液化窒素Cとを高圧塔4で低温蒸留して、高圧窒素ガスと高圧液化空気と高圧アルゴン富化液化空気とに分離する。なお、高圧アルゴン富化液化空気は、高圧液化空気よりもアルゴン濃度が高いものをさす。
[High-pressure separation process]
In the high pressure separation step, the high pressure low temperature feed air B introduced via line L1 and the high pressure liquefied nitrogen C introduced via line L8 are subjected to low temperature distillation in the
[製品導出工程]
製品導出工程では、高圧塔4の頂部からラインL2を介して導出した高圧窒素ガスDを、主熱交換器11で常温まで加温した後に製品窒素ガス(GN)として回収する。
[Product development process]
In the product discharge step, the high pressure nitrogen gas D discharged from the top of the
主熱交換器11で冷却された原料空気Aの一部を、ラインL5に導出し、膨張タービン13に導入して膨張させる。そして、膨張させて得られた中圧低温原料空気Eを中圧塔5の底部に導入する。
A portion of the feed air A cooled in the
[中圧分離工程]
中圧分離工程では、ラインL5を介して中圧塔5に導入された中圧低温原料空気Eと、ラインL7を介して導入された中圧液化窒素Fとを中圧塔5で低温蒸留して、中圧窒素ガスと、中圧液化空気とに分離する。
そして、中圧塔5の頂部から中圧窒素ガスGをラインL6に導出する。
また、中圧塔5の底部から中圧液化空気HをラインL9に導出する。
[Medium pressure separation process]
In the medium pressure separation step, the medium pressure low temperature feed air E introduced into the
Then, medium pressure nitrogen gas G is discharged from the top of the
In addition, medium-pressure liquefied air H is discharged from the bottom of the medium-
高圧塔4からラインL3に導出した高圧液化空気Iを、過冷器12に導入する。そして、これを過冷器12で冷却した後に、バルブV1で減圧して低圧液化空気Jを得る。
High-pressure liquefied air I discharged from the high-
また、高圧塔4からラインL4に導出した高圧アルゴン富化液化空気Kを、過冷器12で冷却する。そして、これを過冷器12で冷却した後に、バルブV2で減圧して低圧アルゴン富化液化空気Lを得る。
ここで、高圧塔4に接続するラインL4の導出位置をラインL3の導出位置よりも上部にすることで、アルゴンの回収率を高くすることができる。
In addition, the high-pressure argon-enriched liquefied air K discharged from the high-
Here, by positioning the outlet position of the line L4 connected to the
また、中圧塔5からラインL9に導出した中圧液化空気Hを過冷器12で冷却する。そして、これを過冷器12で冷却した後に、バルブV3で減圧して低圧液化空気Mを得る。
また、ラインL9に導出した中圧液化空気Hの一部をラインL9から分岐したラインL10に導入し、バルブV4で減圧して低圧液化空気Nを得る。
In addition, the medium-pressure liquefied air H discharged from the medium-
A portion of the medium pressure liquefied air H discharged to the line L9 is introduced into a line L10 branched off from the line L9, and the pressure is reduced by a valve V4 to obtain low pressure liquefied air N.
[低圧分離工程]
低圧分離工程では、ラインL3とラインL9を介して導入された低圧液化空気J、Mと、ラインL4を介して導入された低圧アルゴン富化液化空気Lと、ラインL11を介して導入された低圧液化空気Oと、ラインL12を介して導入された低圧空気Pと、ラインL19を介して導入されたアルゴン富化液化酸素Qと、窒素凝縮器8で気化して得られた酸素ガスとを、低圧塔6で低温蒸留して、窒素富化空気と、アルゴン富化酸素ガスと、液化酸素とに分離する。
[Low pressure separation process]
In the low-pressure separation step, low-pressure liquefied air J, M introduced via line L3 and line L9, low-pressure argon-enriched liquefied air L introduced via line L4, low-pressure liquefied air O introduced via line L11, low-pressure air P introduced via line L12, argon-enriched liquefied oxygen Q introduced via line L19, and oxygen gas obtained by vaporization in the
ここで、低圧塔6に接続するラインL4の接続位置を、ラインL3とラインL9との接続位置よりも下部にすることでアルゴンの回収率を高くすることができる。
Here, the argon recovery rate can be increased by positioning the connection position of line L4, which connects to low-
次に、低圧塔6の頂部からラインL14に導出した窒素富化空気Rを、過冷器12で加温し、更に主熱交換器11で常温まで加温した後に、廃ガス(WG)として回収する。
また、低圧塔6の中部からアルゴン富化酸素ガスSをラインL15に導出する。
Next, the nitrogen-enriched air R discharged from the top of the low-
Also, argon-enriched oxygen gas S is discharged from the middle of the low-
[アルゴン分離工程]
アルゴン分離工程では、ラインL15を介して導入されたアルゴン富化酸素ガスSと、L17を介して導入された液化アルゴンTとを、アルゴン塔7で低温蒸留して、アルゴンガスと、アルゴン富化液化酸素とに分離する。
[Argon separation process]
In the argon separation step, argon-enriched oxygen gas S introduced through line L15 and liquefied argon T introduced through line L17 are subjected to low-temperature distillation in
アルゴン塔7の頂部からアルゴンガスUをラインL16に導出する。
また、アルゴン塔7の底部からアルゴン富化液化酸素QをラインL19に導出する。
Argon gas U is discharged from the top of the
Also, argon-enriched liquefied oxygen Q is discharged from the bottom of the
[窒素凝縮工程]
窒素凝縮工程では、ラインL6を介して中圧窒素ガスGを低圧塔6の底部に収納された窒素凝縮器8に導入し、中圧窒素ガスGと、低圧塔6の底部に溜まった液化酸素とを、間接熱交換させる。具体的には、中圧窒素ガスGを液化させて中圧液化窒素Fを生成すると共に、液化酸素を気化させて酸素ガスを生成する。
[Nitrogen condensation process]
In the nitrogen condensation step, the medium-pressure nitrogen gas G is introduced via line L6 into a
窒素凝縮器8で液化した中圧液化窒素FをラインL7に導出する。そして、ラインL7に導出した中圧液化窒素Fの一部を、ラインL8に分岐し、液化窒素ポンプ14で昇圧して高圧液化窒素Cを得る。
The medium-pressure liquefied nitrogen F liquefied in the
本実施形態では、高圧塔4で分離した高圧窒素ガスを液化して還流液を生成するための凝縮器が無く、液化窒素ポンプ14で昇圧して得られた高圧液化窒素Cが高圧塔4の還流液となる。このため、高圧塔4の運転圧力、すなわち原料空気の圧力を要求される製品窒素ガスの圧力に応じてある程度任意に設定できる利点がある。
In this embodiment, there is no condenser to liquefy the high-pressure nitrogen gas separated in the high-
窒素凝縮器8で気化した酸素ガスの一部は低圧塔6の上昇ガスとなり、残部はラインL20に導出される。
ラインL20に導出した酸素ガスVは、バルブV8で減圧した後に、ラインL14の窒素富化空気Rと合流する。
A portion of the oxygen gas vaporized in the
The oxygen gas V discharged to the line L20 is depressurized by the valve V8 and then merges with the nitrogen-enriched air R in the line L14.
なお、図示していないが、ラインL20に導出した酸素ガスVを、主熱交換器11で常温まで加温して、製品酸素ガスとして回収することもできる。
窒素凝縮器8で気化しなかった液化酸素Wを、低圧塔6の底部からラインL21に導出し、製品液化酸素(LO)として回収する。
Although not shown, the oxygen gas V discharged to the line L20 can be heated to room temperature in the
The liquefied oxygen W that is not vaporized in the
[アルゴン凝縮工程]
アルゴン凝縮工程では、アルゴンガスUを液化させて液化アルゴンTを生成する。具体的には、ラインL16を介してアルゴン凝縮器外筒10に収納されたアルゴン凝縮器9にアルゴンガスUを導入するとともに、ラインL10を介してアルゴン凝縮器外筒10に低圧液化空気Nを導入し、アルゴンガスUと低圧液化空気Nとを間接熱交換させ、アルゴンガスUを液化させて液化アルゴンTを生成するとともに、低圧液化空気Nを気化させて低圧空気を生成する。他の形態として、アルゴン凝縮器9がアルゴン凝縮器外筒10に収納されていない場合もある。この場合、低圧液化空気Nが直接アルゴン凝縮器9に導入され、アルゴンガスUとの間接熱交換により気化して、低圧空気Xが生成される。
[Argon condensation process]
In the argon condensation step, argon gas U is liquefied to generate liquefied argon T. Specifically, argon gas U is introduced into the
[製品アルゴン導出工程]
製品アルゴン導出工程では、アルゴン凝縮器9で液化した液化アルゴンTを、ラインL17に導出する。
そして、ラインL17に導出した液化アルゴンTの一部を、ラインL18に分岐し、主熱交換器11で気化させ、常温まで加温した後に製品アルゴンガス(GAR)として回収する。
なお、図示していないが、ラインL16のアルゴンガスUの一部を、分岐して主熱交換器11で常温まで加熱した後に、製品アルゴンガス(GAR)として回収してもよい。
[Product argon extraction process]
In the product argon discharge step, liquefied argon T liquefied in the
A portion of the liquefied argon T discharged to the line L17 is branched off to a line L18, vaporized in the
Although not shown, a portion of the argon gas U in the line L16 may be branched off and heated to room temperature in the
アルゴン凝縮器9で気化した低圧空気Xを、ラインL12に導出し、バルブV6で減圧した後に、低圧空気Pとして低圧塔6に導入する。
また、ラインL12に導出した低圧空気Xの一部を、ラインL13に分岐し、バルブV7で減圧した後にラインL14の窒素富化空気Rと合流させる。
また、アルゴン凝縮器9で気化しなかったアルゴン凝縮器外筒10の低圧液化空気Yを、ラインL11に導出し、バルブV5で減圧した後に、低圧液化空気Oとして低圧塔6に供給する。
The low pressure air X vaporized in the
In addition, a portion of the low pressure air X led out to the line L12 is branched off to a line L13, and after being decompressed by a valve V7, is merged with the nitrogen-enriched air R in a line L14.
In addition, the low-pressure liquefied air Y in the argon condenser
以上説明したように、本実施形態では7~15barAの製品窒素ガスを製造する場合に、無駄にガス流体を減圧する必要が無く、効率的に製品窒素ガスとアルゴンを製造することができる。 As described above, in this embodiment, when producing product nitrogen gas of 7 to 15 barA, there is no need to unnecessarily reduce the pressure of the gas fluid, and product nitrogen gas and argon can be produced efficiently.
[第2の実施形態]
<窒素製造装置100A>
次に、本発明の第2の実施形態の窒素製造装置100Aについて、図面を参照して説明する。第1実施形態と同様の部分については説明を省略する。
第1の実施形態では、高圧塔4の中部にラインL4が接続されており、高圧塔4からラインL4に高圧アルゴン富化液化空気Kが導出されていた。
これに対し、本実施形態では、ラインL4は設けられず、代わりに、中圧塔5の中部にラインL22が接続されている。そして、中圧塔5からラインL22に中圧アルゴン富化液化空気K’が導出される。なお、中圧アルゴン富化液化空気K’は、中圧液化空気よりもアルゴン濃度が高いものをさす。
Second Embodiment
<
Next, a
In the first embodiment, the line L4 is connected to the middle part of the
In contrast, in this embodiment, the line L4 is not provided, and instead, a line L22 is connected to the middle part of the
<窒素製造方法>
次に、第2の実施形態の窒素製造装置100Aを用いた窒素製造方法について、図2を用いて説明する。本実施形態は第1の実施形態の変形例であり、第1の実施形態と同様の部分については、説明を省略する。
<Nitrogen production method>
Next, a nitrogen production method using the
[中圧分離工程]
本実施形態では、中圧分離工程において、ラインL5を介して中圧塔5に導入された中圧低温原料空気Eと、ラインL7を介して導入された中圧液化窒素Fとを中圧塔5で低温蒸留して、中圧窒素ガスと、中圧液化空気とに加えて、中圧アルゴン富化液化空気を分離する。
[Medium pressure separation process]
In this embodiment, in the medium pressure separation step, the medium pressure low temperature feed air E introduced into the
そして、高圧塔4の中部からラインL4に高圧アルゴン富化液化空気Kを導出する代わりに、本実施形態では、中圧塔5の中部からラインL22に中圧アルゴン富化液化空気K’を導出する。
ラインL22に導出した中圧アルゴン富化液化空気K’を、過冷器12で冷却し、バルブV9で減圧した後に、低圧アルゴン富化液化空気L’として、低圧塔6に導入する。
ここで、低圧塔6に接続するラインL22の接続位置を、ラインL3とラインL9との接続位置よりも下部にすることでアルゴンの回収率を高くすることができる。
Then, instead of delivering the high pressure argon-enriched liquefied air K from the middle of the
The medium-pressure argon-enriched liquefied air K' delivered to the line L22 is cooled in the
Here, by positioning the connection position of the line L22 connected to the
本実施形態の窒素製造方法においても、第1の実施形態と同様に、高圧塔4で分離した高圧窒素ガスを液化して還流液を生成するための凝縮器が無く、液化窒素ポンプ14で昇圧して得られた高圧液化窒素が高圧塔4の還流液となる。このため、高圧塔4の運転圧力、すなわち原料空気の圧力を要求される製品窒素ガスの圧力に応じてある程度任意に設定できる利点がある。
この結果、本実施形態でも、7~15barAの製品窒素ガスを製造する場合に、無駄にガス流体を減圧する必要が無く、効率的に製品窒素ガスとアルゴンを製造することができる。
In the nitrogen production method of this embodiment, similarly to the first embodiment, there is no condenser for liquefying the high-pressure nitrogen gas separated in the high-
As a result, also in this embodiment, when producing product nitrogen gas of 7 to 15 barA, there is no need to unnecessarily reduce the pressure of the gas fluid, and product nitrogen gas and argon can be produced efficiently.
以上、本発明を上記の実施形態例に基づき説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
例えば、高圧塔4で分離された高圧液化空気をバルブで減圧した後に中圧塔5の底部に供給することもできる。また、上記実施形態では、アルゴン凝縮工程において、アルゴンガスUと間接熱交換する流体として、中圧塔5の底部から導出した中圧液化空気Hを減圧した低圧液化空気Nを用いたが、高圧塔4の塔底部から導出した高圧液化空気Iを減圧した低圧液化空気を用いてもよい。
また、第2実施形態の変形例として、高圧塔4の中部から高圧アルゴン富化液化空気を導出し、バルブで減圧した後に中圧塔5の中部に導入することもできる。
The present invention has been described above based on the above embodiment examples, but the present invention is not limited to the above embodiment, and can be embodied in various forms without departing from the spirit of the present invention.
For example, the high pressure liquefied air separated in the
As a modification of the second embodiment, the high pressure argon-enriched liquefied air can be extracted from the middle of the
以下、本発明について実施例及び比較例を用いて詳しく説明する。
<実施例>
実機の設計に用いているシミュレータを用いて、図1に示す本発明の窒素製造装置100のシミュレーションを実施した。
シミュレーションを実施するにあたっては、原料空気の流量を100とし、製品窒素ガスGN(酸素濃度1ppm以下、圧力9.4barA)と製品アルゴンガスGAR(酸素濃度1.5%以下、窒素濃度0.5%以下)を最大量回収する条件で計算した。
結果を表1に示す。
The present invention will be described in detail below with reference to examples and comparative examples.
<Example>
A simulation of the
In carrying out the simulation, the flow rate of the feed air was set to 100, and calculations were performed under conditions for recovering the maximum amounts of product nitrogen gas GN (oxygen concentration 1 ppm or less, pressure 9.4 barA) and product argon gas GAR (oxygen concentration 1.5% or less, nitrogen concentration 0.5% or less).
The results are shown in Table 1.
このシミュレーション結果によると、流量100の原料空気から製品窒素ガスGNを流量40回収し、同時に製品アルゴンガスGARを流量0.5回収することができた。 According to the results of this simulation, it was possible to recover product nitrogen gas GN at a flow rate of 40 from raw air with a flow rate of 100, and at the same time recover product argon gas GAR at a flow rate of 0.5.
上記結果から明らかなように、本発明の窒素製造方法および窒素製造装置によれば、比較的圧力の高い(例えば7barA以上)の製品窒素ガスを多量に(例えば空気量の40%以上)回収しつつ、同時に製品アルゴンを多量に(例えば製品窒素ガス量の1%以上)回収することができる。
また、広範囲の圧力(例えば7~15barA)の窒素ガスを窒素圧縮機を用いることなく製造することができる。
As is clear from the above results, the nitrogen production method and nitrogen production apparatus of the present invention can recover a large amount (e.g., 40% or more of the air volume) of product nitrogen gas at a relatively high pressure (e.g., 7 barA or more), while at the same time recovering a large amount of product argon (e.g., 1% or more of the product nitrogen gas volume).
In addition, nitrogen gas over a wide range of pressures (eg, 7 to 15 barA) can be produced without using a nitrogen compressor.
1:空気圧縮機、2:空気予冷器、3:空気精製器、4:高圧塔、5:中圧塔、6:低圧塔、7:アルゴン塔、8:窒素凝縮器、9:アルゴン凝縮器、10:アルゴン凝縮器外筒、11:主熱交換器、12:過冷器、13:膨張タービン、14:液化窒素ポンプ 1: Air compressor, 2: Air precooler, 3: Air purifier, 4: High pressure tower, 5: Medium pressure tower, 6: Low pressure tower, 7: Argon tower, 8: Nitrogen condenser, 9: Argon condenser, 10: Argon condenser outer cylinder, 11: Main heat exchanger, 12: Subcooler, 13: Expansion turbine, 14: Liquid nitrogen pump
Claims (10)
前記原料空気の一部を断熱膨張させて得られた中圧低温原料空気を蒸留して、中圧窒素ガスと中圧液化空気とに分離する中圧分離工程と、
前記高圧液化空気と前記中圧液化空気の少なくとも一方を減圧して得られた低圧液化空気を蒸留して、窒素富化空気と液化酸素とアルゴン富化酸素ガスとに分離する低圧分離工程と、
前記アルゴン富化酸素ガスを蒸留して、アルゴンガスとアルゴン富化液化酸素とに分離するアルゴン分離工程と、
前記中圧窒素ガスと、前記液化酸素とを間接熱交換させて、前記中圧窒素ガスを液化させて前記中圧液化窒素を生成すると共に、前記液化酸素を気化させて酸素ガスを生成する窒素凝縮工程と、
前記アルゴンガスを液化させて液化アルゴンを生成するアルゴン凝縮工程と、
前記高圧窒素ガスを製品として導出する製品窒素導出工程と、
前記アルゴンガスまたは前記液化アルゴンの一部を製品として導出する製品アルゴン導出工程と、を含むことを特徴とする窒素製造方法。 a high-pressure separation step in which high-pressure low-temperature feed air obtained by cooling feed air obtained by compressing, pre-cooling, and purifying air containing oxygen, nitrogen, and argon, and high-pressure liquefied nitrogen obtained by pressurizing medium-pressure liquefied nitrogen are distilled to separate them into high-pressure nitrogen gas and high-pressure liquefied air;
a medium pressure separation step of distilling the medium pressure low temperature feed air obtained by adiabatic expansion of a portion of the feed air and separating the medium pressure nitrogen gas and medium pressure liquefied air;
a low-pressure separation step in which low-pressure liquefied air obtained by reducing the pressure of at least one of the high-pressure liquefied air and the medium-pressure liquefied air is distilled to separate the low-pressure liquefied air into nitrogen-enriched air, liquefied oxygen, and argon-enriched oxygen gas;
an argon separation step of distilling the argon-enriched oxygen gas to separate it into argon gas and argon-enriched liquefied oxygen;
a nitrogen condensation step in which the medium-pressure nitrogen gas is indirectly heat-exchanged with the liquefied oxygen to liquefy the medium-pressure nitrogen gas to produce the medium-pressure liquefied nitrogen and the liquefied oxygen to produce oxygen gas;
an argon condensation step of liquefying the argon gas to produce liquefied argon;
a product nitrogen discharge step of discharging the high-pressure nitrogen gas as a product;
and a product argon discharge step of discharging a portion of the argon gas or the liquefied argon as a product.
該高圧アルゴン富化液化空気を減圧して得られた低圧アルゴン富化液化空気を前記低圧分離工程の原料の一部とすることを特徴とする請求項1に記載の窒素製造方法。 In the high-pressure separation step, the high-pressure low-temperature feed air and the high-pressure liquefied nitrogen are distilled to separate, in addition to the high-pressure nitrogen gas and the high-pressure liquefied air, high-pressure argon-enriched liquefied air having an argon concentration higher than that of the high-pressure liquefied air;
2. The method for producing nitrogen according to claim 1, wherein said high pressure argon-enriched liquefied air is depressurized to obtain low pressure argon-enriched liquefied air, which is used as a part of the raw material for said low pressure separation step.
該中圧アルゴン富化液化空気を減圧して得られた低圧アルゴン富化液化空気を前記低圧分離工程の原料の一部とすることを特徴とする請求項1に記載の窒素製造方法。 In the medium-pressure separation step, the medium-pressure low-temperature feed air is distilled to separate, in addition to the medium-pressure nitrogen gas and the medium-pressure liquefied air, medium-pressure argon-enriched liquefied air having an argon concentration higher than that of the medium-pressure liquefied air;
2. The method for producing nitrogen according to claim 1, wherein the low-pressure argon-enriched liquefied air obtained by reducing the pressure of the medium-pressure argon-enriched liquefied air is used as a part of the raw material for the low-pressure separation step.
前記原料空気の一部を断熱膨張させて得られた中圧低温原料空気を蒸留して、中圧窒素ガスと中圧液化空気とに分離する中圧塔と、
前記高圧液化空気と前記中圧液化空気の少なくとも一方を減圧して得られた低圧液化空気を蒸留して、窒素富化空気と液化酸素とアルゴン富化酸素ガスとに分離する低圧塔と、
前記アルゴン富化酸素ガスを蒸留して、アルゴンガスとアルゴン富化液化酸素とに分離するアルゴン塔と、
前記中圧窒素ガスと、前記液化酸素とを間接熱交換させて、前記中圧窒素ガスを液化させて前記中圧液化窒素を生成すると共に、前記液化酸素を気化させて酸素ガスを生成する窒素凝縮器と、
前記アルゴンガスを液化させて液化アルゴンを生成するアルゴン凝縮器と、
前記高圧窒素ガスを製品として導出する製品窒素導出ラインと、
前記アルゴンガスまたは前記液化アルゴンの一部を製品として導出する製品アルゴン導出ラインと、を備えることを特徴とする窒素製造装置。 a high-pressure column for distilling high-pressure low-temperature feed air obtained by compressing, pre-cooling, and purifying air containing oxygen, nitrogen, and argon, and high-pressure liquefied nitrogen obtained by pressurizing medium-pressure liquefied nitrogen, thereby separating the high-pressure nitrogen gas and high-pressure liquefied air;
a medium pressure column that distills the medium pressure low temperature feed air obtained by adiabatic expansion of a portion of the feed air and separates it into medium pressure nitrogen gas and medium pressure liquefied air;
a low pressure column for distilling the low pressure liquefied air obtained by reducing the pressure of at least one of the high pressure liquefied air and the medium pressure liquefied air to separate the low pressure liquefied air into nitrogen-enriched air, liquefied oxygen, and argon-enriched oxygen gas;
an argon column for distilling the argon-enriched oxygen gas to separate it into argon gas and argon-enriched liquefied oxygen;
a nitrogen condenser that performs indirect heat exchange between the medium-pressure nitrogen gas and the liquefied oxygen to liquefy the medium-pressure nitrogen gas to produce the medium-pressure liquefied nitrogen and vaporize the liquefied oxygen to produce oxygen gas;
an argon condenser for liquefying the argon gas to produce liquefied argon;
a product nitrogen discharge line for discharging the high-pressure nitrogen gas as a product;
a product argon outlet line for outletting a portion of the argon gas or the liquefied argon as a product.
該高圧アルゴン富化液化空気を減圧して得られた低圧アルゴン富化液化空気を前記低圧塔に導入することを特徴とする請求項6に記載の窒素製造装置。 In the high-pressure column, the high-pressure low-temperature feed air and the high-pressure liquefied nitrogen are distilled to separate, in addition to the high-pressure nitrogen gas and the high-pressure liquefied air, high-pressure argon-enriched liquefied air having an argon concentration higher than that of the high-pressure liquefied air;
7. The nitrogen producing apparatus according to claim 6, wherein the high pressure argon-enriched liquefied air is reduced in pressure to obtain low pressure argon-enriched liquefied air, which is introduced into the low pressure column.
該中圧アルゴン富化液化空気を減圧して得られた低圧アルゴン富化液化空気を前記低圧塔に導入することを特徴とする請求項6に記載の窒素製造装置。 In the medium pressure column, the medium pressure low temperature feed air is distilled to separate, in addition to the medium pressure nitrogen gas and the medium pressure liquefied air, medium pressure argon-enriched liquefied air having an argon concentration higher than that of the medium pressure liquefied air;
7. The nitrogen production system according to claim 6, wherein the medium-pressure argon-enriched liquefied air is reduced in pressure to obtain low-pressure argon-enriched liquefied air, which is introduced into the low-pressure column.
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