JP4230094B2 - Nitrogen production method and apparatus - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒素製造方法及び装置に関し、詳しくは、空気を原料とし、液化精留分離(深冷分離)法により窒素を分離して採取するに際して、動力の増加を抑え、高い収率で効率よく窒素を製造することができる窒素製造方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
工業的に窒素を製造する方法として、空気を原料としてこれを液化し、その成分の沸点差を利用して精留分離する、いわゆる空気液化分離方法が多く採用されている。比較的純度の高い窒素を製造する目的で、この空気液化分離方法を用いた単一の精留塔を使用した装置が実用化されているが、窒素の製造コストを低減する工夫が常に工業的に要求されている。
【0003】
この要求に対し、窒素の製造コストを低減するための様々なプロセスが提案されている。この中で、廃ガスの一部を精留塔下部の圧力まで昇圧してから再び精留塔へ導入することにより、窒素収率を改善する方法が知られている。この方法は、原料空気を分離し、製品として窒素を採取した残りの、本来廃ガスとして排出されるガス中には、まだ50%以上の窒素が含まれていることに着目し、廃ガスの一部を排出せずに精留塔へ戻し、再び原料として使用することで、窒素収率の高いプロセスを実現するものである。
【0004】
この方法の採用例として、特開平3−137484号公報には、図8に系統図で示すプロセスが記載されている。この方法では、空気圧縮機1で昇圧された原料空気は、アフタークーラー2,管3を経て吸着器4で水分及び炭酸ガスが吸着除去された後、管5を通って主熱交換器6に入り、ここで戻りガスと熱交換して冷却され、管7を経て精留塔8の下部に導入される。導入された原料空気は、該精留塔8において、塔上部の高純度の製品窒素ガスと、塔下部の酸素富化された液化空気(酸素富化液化空気)とに精留分離される。
【0005】
製品窒素ガスGNは、精留塔8から管9に抜出され、管10を通り、過冷器11で酸素富化液化空気と、前記主熱交換器6で原料空気と、それぞれ熱交換して常温となった後、管12を通って送出される。
【0006】
一方、塔底部から管13に抜出された酸素富化液化空気は、前記過冷器11で過冷却された後、弁14にて凝縮器15で必要な圧力まで減圧された後、凝縮器15に導入され、ここで精留塔8から管9、管16を経て導入される窒素ガスと熱交換し、窒素ガスを液化することにより気化して酸素富化空気となる。液化窒素は管17を通って精留塔8の上部に戻され、酸素富化空気は、管18を通って前記過冷器11で酸素富化液化空気と熱交換した後、管19を通って主熱交換器6に導入される。この酸素富化空気の内、膨張タービン20にて寒冷を発生させるのに必要な量が、主熱交換器中部から管21に抜き出される。管21に抜き出された酸素富化空気は、膨張タービン20に導入されて膨張し、必要寒冷を発生して管22に導出する。余剰の酸素富化空気は、管19から分岐して弁23で減圧された後、前記管22からの酸素富化空気と管24に合流し、主熱交換器6にて原料空気と熱交換して常温とされ、一部が前記吸着器4の再生ガスとして使用され、残りは廃ガスWGとして排出される。
【0007】
また、酸素富化空気の一部は、主熱交換器6で常温となり、管26から循環圧縮機27に導入されて精留塔下部の圧力まで圧縮され、アフタークーラー28、管29を通り、主熱交換器6で再度冷却された後、管30を通って精留塔8に循環する。
【0008】
このように、循環圧縮機27を設けて廃ガス(酸素富化空気)の一部を循環させることにより、窒素ガスの収率を上げることができるが、次のような欠点がある。すなわち、酸素富化空気中の酸素濃度が高くなるため、循環圧縮機として酸素仕様とする必要があり、酸素仕様の圧縮機は、保安上要求される仕様を満足するために、同程度の空気循環圧縮機と比較して高価なものとなる。また、酸素富化空気の酸素濃度が高くなると、凝縮器15にて酸素富化液化空気を気化させるために必要な圧力が低くなる。このことは、製品窒素採取率が上昇するほど、循環圧縮機の吸入圧力が低くなり、動力が増加することを意味している。
【0009】
また、特開平9−303958号公報には、図9の系統図に示すように、前述の循環圧縮機27を設置するのに代えて空気圧縮機を2段構成とし、第1空気圧縮機1aで一次昇圧した原料空気に、前記同様にして主熱交換器6から管26に導出された酸素富化空気を合流させ、合流後の原料混合ガスを第2空気圧縮機1bで所定の圧力まで昇圧した後、吸着器4、主熱交換器6を通して管7から精留塔8の下部に導入するプロセスが開示されている。なお、以下の説明において、図8の装置と同一の構成要素には、それぞれ同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【0010】
このプロセスでは、原料空気と酸素富化空気とが混合した原料混合ガスは、主熱交換器6を経て精留塔8に導入され、高純度の製品窒素ガスと酸素富化液化空気とに精留分離される。製品窒素ガスは、前記同様の経路を経て管12から送出される。また、酸素富化液化空気は、凝縮器15で気化して酸素富化空気となり、一部が主熱交換器6の中間部から膨張タービン20に導入されて寒冷を発生させ、余剰の酸素富化空気と合流して管25から排出される他、必要量の酸素富化空気は、主熱交換器6で常温となった後、管26を通って第1空気圧縮機1aの出口の空気と合流し、第2空気圧縮機1bを経て循環する。
【0011】
このプロセスでは、空気圧縮機を循環圧縮機としても利用しているため、装置構成がシンプルとなるが、通常の空気圧縮機を利用して酸素富化空気を圧縮するため、合流後の原料混合ガス中の酸素濃度を安全性確保のために概略25%以下にする必要があり、酸素富化空気の酸素濃度に制限が生じる。このため、製品窒素収率を大幅に上げることができないという欠点がある。
【0012】
また、特許第2875206号公報には、図10の系統図に示すプロセスを採用することによって循環ガス中の酸素濃度を下げることが記載されている。本プロセスにおいて、空気圧縮機1にて昇圧された原料空気は、吸着器4にて水分と炭酸ガスが吸着除去された後、循環する酸素富化空気と混合してから主熱交換器6を通って精留塔8に導入され、製品窒素と酸素富化液化空気とに分離する。酸素富化液化空気は、管13から弁14を通って減圧されて成分調整塔31に導入され、塔上部に酸素富化空気が分離する。ここで分離した酸素富化空気は、管32に抜出された後、その一部が管33に分岐して主熱交換器6で常温となり、管34を経て循環圧縮機35にて昇圧され、アフタークーラー36を通って管37から前記管5の原料空気に合流し、原料混合ガスとなって主熱交換器6を通り、精留塔8に導入される第1の循環系を形成する。製品窒素ガスは、精留塔8から液体で管38に抜出され、第二熱交換器39で気化した後、主熱交換器6で原料混合ガスとの熱交換により常温となって管12から送出される。
【0013】
前記成分調整塔31では、塔下部に設けた凝縮器15で、精留塔8からの窒素ガスを液化することにより、酸素富化液化空気が気化して酸素富化空気となり、成分調整塔31の上昇ガスとなる。成分調整塔31下部の酸素富化空気は、管18、管19を通り、主熱交換器6の中部から抜き出されて膨張タービン20に導入され、寒冷を発生して管22に導出される。余剰の酸素富化空気は、管19から弁23方向に分岐し、該弁23で減圧後に、管22からの酸素富化空気と合流し、管24、主熱交換器6、管25を通って排出される。また、成分調整塔31から前記管32に抜出された酸素富化空気の一部は、管40に分岐して膨張タービン20で駆動される圧縮機41で圧縮され、前記第二熱交換器39で液化された後、弁42で減圧してから成分調整塔31の頂部に再導入されて第2の循環系を形成する。
【0014】
このプロセスでは、製品回収率が高くなっても、循環ガスの酸素濃度を低く抑えることが可能となる。しかしながら、製品窒素ガスの回収率が上がると、凝縮器15で蒸発する酸素富化液化空気の酸素濃度が上昇し、酸素富化液化空気を蒸発させるために必要な圧力を低くしなければならなくなる。このことは、成分調整塔31の運転圧力が低下することを意味する。したがって、循環圧縮機35の吸入圧力が、製品回収率の増加に伴って低くなり、圧縮動力が増加することとなる。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、従来のプロセスでは、循環ガスである酸素富化空気中の酸素濃度を高くすると循環圧縮機を酸素圧縮機仕様としなければならない。さらに、酸素富化空気中の酸素濃度が高くなると、凝縮器で酸素富化液化空気を気化するために必要な圧力が下がる。また、通常の空気圧縮機を利用するためには、循環する酸素富化空気が合流した原料混合ガス中の酸素濃度を概略25%以下にしなければならず、循環量に制限が生じてしまう。
【0016】
そこで本発明は、プロセス全体の動力費の低減を図りながら高収率で製品窒素を製造することができる窒素製造方法及び装置を提供することを目的としている。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の窒素製造方法は、原料空気を液化精留分離して製品窒素を採取する方法であって、原料空気を主精留部に導入して窒素ガスと酸素富化液化空気と窒素富化液化空気とに精留分離する工程と、該窒素富化液化空気を二次精留部に下降液として導入する工程と、前記酸素富化液化空気を前記窒素ガスの一部との熱交換により気化させて酸素富化空気とすると同時に該窒素ガスを液化して液化窒素とする工程と、該酸素富化空気を前記二次精留部に上昇ガスとして導入する工程と、該二次精留部に下降液として導入した前記窒素富化液化空気と上昇ガスとして導入した前記酸素富化空気とを窒素富化ガスと酸素富化液とに精留分離する工程と、該酸素富化液を前記窒素ガスの一部との熱交換により気化させて酸素富化ガスとすると同時に該窒素ガスを液化して液化窒素とする工程と、前記酸素富化液化空気及び酸素富化液との熱交換によって液化した液化窒素を前記主精留部に下降液として導入する工程と、前記窒素富化ガスを圧縮して主精留部に導入する工程と、前記二次精留部の酸素富化ガスを廃ガスとして導出する工程と、前記窒素ガスの残部を製品として導出する工程とを有していることを特徴としている。
【0019】
さらに、本発明方法は、前記窒素富化ガスの酸素濃度が10〜40体積%であることを特徴としている。
【0020】
また、本発明の窒素製造装置は、原料空気を液化精留分離して製品窒素を採取する装置であって、原料空気を窒素ガスと酸素富化液化空気と窒素富化液化空気とに精留分離する主精留塔と、前記窒素ガスの一部を液化する凝縮器と、前記酸素富化液化空気と窒素富化液化空気とを窒素富化ガスと酸素富化液とに精留分離する第二精留塔とを備えるとともに、前記窒素富化ガスを圧縮機で圧縮して前記主精留塔に再導入する循環経路と、前記窒素富化液化空気を前記主精留塔の中段部から抜出して前記第二精留塔の上部に導入する経路と、前記酸素富化液化空気を前記主精留塔の下部から抜出して前記凝縮器に導入する経路と、該凝縮器で気化した酸素富化空気を第二精留塔の下部に導入する経路と、前記酸素富化液を前記第二精留塔から抜出して前記凝縮器に導入する経路と、該凝縮器で気化した酸素富化ガスを廃ガスとして導出する経路と、前記窒素ガスを主精留塔から製品窒素として採取する経路とを備えていることを特徴としている。
【0022】
【発明の実施の形態】
図1は、窒素製造装置の第1参考例を示す系統図である。なお、以下の各形態例においては、従来法との比較を容易にするため、前述の従来例装置の構成要素と同一又は類似の構成要素に同一符号を付して説明する。
【0023】
第1参考例に示す窒素製造装置は、主要な構成機器として、原料空気を昇圧する空気圧縮機1、原料空気中の水分、炭酸ガス等の不純物を吸着除去する吸着器4、戻りガスによって原料混合ガスを冷却する主熱交換器6、原料混合ガスを精留分離する主精留部となる主精留塔8、酸素富化液化空気を蒸発気化させるとともに窒素ガスを液化させる凝縮器15、寒冷を発生させる膨張タービン20、循環ガスを昇圧して循環させる循環圧縮機35を備えるとともに、循環する酸素富化空気の酸素濃度を低下させることを目的とした第二精留塔51を備えている。
【0024】
空気圧縮機1で所定圧力に昇圧した原料空気は、アフタークーラー2,管3を通って吸着器4に導入され、水分、炭酸ガスが除去される。吸着器4から管5に流出した原料空気は、循環圧縮機35から管37を経て循環する酸素富化空気と合流し、原料混合ガスとなって主熱交換器6に流入する。主熱交換器6で製品窒素ガス等の戻りガスと間接熱交換することによって所定温度に冷却された原料混合ガスは、管7を通って主精留塔8の下部に導入される。
【0025】
主精留塔8における原料混合ガスの精留操作により、塔上部に窒素ガスが分離し、塔下部には、空気組成より酸素分に富む酸素富化液化空気が分離する。主精留塔8から管9に抜出された窒素ガスの一部が、管10、過冷器11、主熱交換器6を通り、管12から製品窒素ガスGNとして採取される。また、残部の窒素ガスは、管9から管16に分岐して凝縮器15に導入され、酸素富化液化空気と間接熱交換を行い、凝縮液化して液化窒素となり、管17を通って主精留塔8の上部に戻されて還流液(下降液)となる。
【0026】
一方、主精留塔8の底部から管13に抜出された酸素富化液化空気は、過冷器11を通って過冷状態となった後、管52と管53とに分岐する。管52を通る流れは、凝縮器15で気化する圧力に弁14で減圧された後、凝縮器15に流入し、前記窒素ガスとの間接熱交換で全量が気化して酸素富化空気となる。この酸素富化空気は、管54を通って第二精留塔51の下部に導入され、第二精留塔51の上昇ガスとなる。また、管53を通る酸素富化液化空気は、弁55で減圧した後、第二精留塔51の上部に下降液として導入される。
【0027】
第二精留塔51では、前記酸素富化空気と酸素富化液化空気とで精留が行われ、上部に酸素富化空気よりも酸素分が低減して窒素分が富化されたガス(窒素富化ガス)が分離し、下部に酸素富化液化空気よりも酸素分が増加した液(酸素富化液)が分離する。
【0028】
第二精留塔頂部から循環ガスの経路である管56に抜出された窒素富化ガスは、過冷器11を通り、主熱交換器6を通って常温となった後、管34から循環圧縮機35に導入され、所定圧力に昇圧される。昇圧後の循環ガス(窒素富化ガス)は、アフタークーラー36、管37を通って前記管5を流れる原料空気に合流し、原料混合ガスとなって主熱交換器6から主精留塔8へと循環する。
【0029】
また、第二精留塔底部から管57に抜出された酸素富化液は、弁58でさらに減圧してから前記凝縮器15に導入され、気化して酸素富化ガスとなる。この酸素富化ガスは、管59から過冷器11を通って管19に流れ、その一部が主熱交換器6に導入されて主熱交換器中部から管21に抜出される。管21の酸素富化ガスは、膨張タービン20で膨張して寒冷を発生して管22に流出する。酸素富化ガスの残部は、管19から分岐して弁23で減圧した後、前記管22からの酸素富化ガスと合流し、管24を通って主熱交換器6に導入され、前記原料混合ガスと熱交換して常温となり、一部が前記吸着器4の再生ガスとして使用され、残りは管25から廃ガスWGとして排出される。
【0030】
このように、主精留塔8から抜出した酸素富化液化空気を分岐し、一方を凝縮器15で気化させて第二精留塔51の上昇ガスとし、他方を液状のまま第二精留塔51の下降液として二次精留を行うことにより、酸素富化液化空気を、酸素分が空気と同等あるいはそれ以下に減少した窒素富化ガスと酸素分が増加した酸素富化液とに分離することができる。
【0031】
したがって、第二精留塔51で分離した窒素富化ガスを循環ガスとして使用することにより、該ガスを昇圧する循環圧縮機35を酸素仕様とする必要がなくなり、安全性の向上と設備コストの削減とが図れる。さらに、循環するガス中の酸素濃度が下がることにより、主精留塔8の塔底から抜出す酸素富化液化空気の酸素濃度も、従来の廃ガス循環方式に比べて低くなるので、凝縮器15で気化させるために弁14で減圧した後の圧力を高くすることができる。これにより、凝縮器15から第二精留塔51に導入する酸素富化空気の圧力、すなわち第二精留塔51の運転圧力を高くすることができるので、循環ガスとして使用する酸素富化液の圧力を高くすることができる。この結果、循環圧縮機35の吸入圧力が高くなるので、循環圧縮機35の動力を削減することができる。
【0032】
また、凝縮器15を主精留塔8及び第二精留塔51から独立した状態で設けることにより、第二精留塔51に不都合が生じた場合でも、従来の方法での運転が可能となる。すなわち、主精留塔8の下部から導出されて過冷器11を経た酸素富化液化空気を、管53に分岐させることなく全量を管52に導入し、弁14で減圧して凝縮器15で全量気化又は部分気化し、第二精留塔51に導入してそのまま全量を管57に導出し、弁58、凝縮器15を通して排ガス経路である管19に導くことにより、従来のプロセス、例えば図8に示したプロセスと同じ運転を行うことができる。
【0033】
さらに、主精留塔8と第二精留塔51とが一体のときは、主精留塔8の下降液の生成と、第二精留塔51の上昇ガスの生成とが完全な比例関係にあり、これを変更することはできなかったが、主精留塔8と第二精留塔51とを分離して独立した形態にすることにより、管52と管53とへの分岐量の調節で第二精留塔51の上昇ガス量を調整することができるので、循環ガスの量も自由に調節することができる。
【0034】
図2は、本発明の第1形態例を示す系統図である。本形態例では、主精留塔8の塔中部から管61に主精留塔下降液の一部を抜出し、この液を第二精留塔51の下降液として用いている。
【0035】
まず、主精留塔8に導入された原料空気と循環ガスとからなる原料混合ガスは、塔上部の窒素ガスと、塔下部の酸素富化液化空気と、塔中部の窒素富化液化空気との3種に精留分離する。
【0036】
空気組成より酸素分に富む酸素富化液化空気は、主精留塔8の塔底から管13に抜出され、管52から過冷器11を経て弁14で減圧された後、凝縮器15で窒素ガスとの熱交換により完全に気化して酸素富化空気となり、管54を通って第二精留塔51の下部に上昇ガスとして導入される。
【0037】
一方、この第二精留塔51の下降液には、精留塔8の中部に分離した略空気組成乃至空気よりも窒素分に富んだ窒素富化液化空気が用いられている。すなわち、窒素富化液化空気を、塔中部から管61に抜出して過冷器11で冷却し、弁55で減圧してから第二精留塔51の上部に導入している。
【0038】
したがって、第二精留塔51では、酸素富化空気と窒素富化液化空気との間で精留が行われ、上部に窒素富化ガスが、下部に酸素富化液がそれぞれ分離する。このとき、窒素富化液化空気の組成は、第1形態例で下降液として使用した酸素富化液化空気に比べて窒素分が多いので、第二精留塔51から抜出されて循環ガスとなる窒素富化ガスの組成も窒素分が多くなる。すなわち、第二精留塔51の頂部から抜出す窒素富化ガスの組成、窒素含有率は、精留塔8の中部から抜出す窒素富化液化空気の窒素含有率を適当に設定することによって任意に調節することが可能となる。
【0039】
図3は本発明の第2形態例を示す系統図であって、循環する窒素富化ガスの昇圧を、膨張タービン20によって駆動される圧縮機41で行うようにしたものである。第1,第2形態例と同様にして第二精留塔51の頂部から管56に抜出され、過冷器11を経た窒素富化ガスは、主熱交換器6に流入することなく前記圧縮機41に吸入され、低温状態で所定圧力に昇圧された後、管62を通り、圧縮熱で昇温した温度に対応する位置で主熱交換器6に導入され、管5から主熱交換器6に流入した原料空気と合流して循環流を形成する。
【0040】
図4は第2参考例を示す系統図であって、空気圧縮機を2段構成とし、主熱交換器6から管34に導出した循環ガス(窒素富化ガス)を循環圧縮機で昇圧するのに代えて、第1空気圧縮機1aで一次昇圧した原料空気に合流させて第2空気圧縮機1bで所定圧力に昇圧するようにしたものである。
【0041】
図5は第3参考例を示す系統図であって、前記各形態例に設置されている過冷器11を省略した例を示している。一般に、過冷器11を設けて凝縮器15に導入する酸素富化液化空気を過冷却状態にすることによって空気液化分離装置の性能向上を図ることができるが、このように過冷器を省略しても運転上は全く問題がな。
【0042】
図6は第4参考例を示す系統図であって、主精留塔8の上部から抜出した窒素ガスを液化させる凝縮器として、前記各形態例で用いたドライ式凝縮器に代えて、液浸式凝縮器71,72を使用した例を示すものである。
【0043】
一方の凝縮器71の凝縮側には、主精留塔8の上部から管9に抜出されて管16aに分岐した窒素ガスが導入されており、蒸発側には、主精留塔8の底部から管13に抜出され、管52を通って弁14で減圧した酸素富化液化空気が導入されている。この酸素富化液化空気は、該凝縮器71で気化後に管54を通って第二精留塔51の下部に導入される。
【0044】
また、他方の凝縮器72の凝縮側には、前記管9から管16bに分岐した窒素ガスが導入されており、蒸発側には、第二精留塔51の底部から管57に抜出され、弁58で減圧した酸素富化液が導入されている。この酸素富化液は、該凝縮器72で気化後に管59を経て膨張タービン20に向かう流れとなる。
【0045】
両凝縮器71,72で液化した液化窒素は、管17に合流して主精留塔8の上部に戻される。なお、各凝縮器71,72の底部には、液の一部を放出する保安弁71a、72aがそれぞれ設けられている。また、ドライ式凝縮器も、このように酸素富化液化空気用と酸素富化液とに分けて設置することができる。
【0046】
図7は第5参考例を示す系統図であって、第二精留塔51に代えて、気液接触が可能な気液分離器73を設置した例を示している。すなわち、凝縮器15で気化した酸素富化空気を管54から気液分離器73の下部に導入するとともに、管53からの酸素富化液化空気を気液分離器73の上部に導入することにより、両者を気液分離器73内で気液接触させるようにしている。この場合も、液とガスとの気液平衡の関係から、管56に抜出す循環ガスの窒素濃度を高めて酸素濃度を低くすることができる。
【0056】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、循環ガス中の窒素濃度を高める(酸素濃度を低くする)ことができるので、循環ガス量を増加させて窒素収率を高めることができるとともに、窒素ガスとの熱交換を高い圧力で行えるので循環ガスを昇圧する循環圧縮機の動力を従来よりも削減することができる。また、循環圧縮機として通常の空気圧縮機を使用することが可能となるので、安全性の向上とコストの低減とを実現することができる。これにより、プロセス全体の動力費の低減を図りながら高収率で製品窒素を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1参考例を示す窒素製造装置の系統図である。
【図2】 本発明の第1形態例を示す系統図である。
【図3】 本発明の第2形態例を示す系統図である。
【図4】 第2参考例を示す系統図である。
【図5】 第3参考例を示す系統図である。
【図6】 第4参考例を示す系統図である。
【図7】 第5参考例を示す系統図である。
【図8】 従来の窒素製造プロセスの一例を示す系統図である。
【図9】 同じく他のプロセス例を示す系統図である。
【図10】 さらに他のプロセス例を示す系統図である。
【符号の説明】
1…空気圧縮機、1a…第1空気圧縮機、1b…第2空気圧縮機、4…吸着器、6…主熱交換器、8…主精留塔、11…過冷器、15…凝縮器、20…膨張タービン、35…循環圧縮機、41…圧縮機、51…第二精留塔、71,72…液浸式凝縮器、73…気液分離器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and apparatus for producing nitrogen, and more particularly, when air is used as a raw material and nitrogen is separated and collected by a liquefied rectification separation (deep cold separation) method, an increase in power is suppressed, and a high yield is achieved. The present invention relates to a nitrogen production method and apparatus capable of producing nitrogen well.
[0002]
[Prior art]
As a method for industrially producing nitrogen, a so-called air liquefaction separation method in which air is used as a raw material and is liquefied and rectified and separated using a difference in boiling points of its components is widely used. For the purpose of producing relatively high-purity nitrogen, a device using a single rectification column using this air liquefaction separation method has been put into practical use, but a device for reducing the production cost of nitrogen is always industrial. Is required.
[0003]
In response to this demand, various processes have been proposed to reduce the production cost of nitrogen. Among these, a method is known in which a part of the waste gas is increased to a pressure below the rectification column and then introduced into the rectification column again to improve the nitrogen yield. This method focuses on the fact that 50% or more of nitrogen is still contained in the remaining gas from which the raw material air is separated and nitrogen is collected as a product and is originally discharged as waste gas. By returning a part to the rectification column without discharging it and using it again as a raw material, a process with a high nitrogen yield is realized.
[0004]
As an application example of this method, Japanese Patent Laid-Open No. 3-137484 discloses a process shown in a system diagram in FIG. In this method, the raw material air pressurized by the
[0005]
The product nitrogen gas GN is withdrawn from the
[0006]
On the other hand, the oxygen-enriched liquefied air withdrawn from the bottom of the column to the
[0007]
Further, a part of the oxygen-enriched air becomes room temperature in the
[0008]
Thus, by providing the circulating
[0009]
Further, in Japanese Patent Laid-Open No. 9-303958, as shown in the system diagram of FIG. 9, instead of installing the above-described circulating
[0010]
In this process, a raw material mixed gas in which raw material air and oxygen-enriched air are mixed is introduced into a rectifying
[0011]
In this process, since the air compressor is also used as a circulating compressor, the system configuration is simple. However, since the oxygen-enriched air is compressed using a normal air compressor, the mixed raw materials are mixed. The oxygen concentration in the gas needs to be approximately 25% or less in order to ensure safety, and the oxygen concentration of the oxygen-enriched air is limited. For this reason, there exists a fault that a product nitrogen yield cannot be raised significantly.
[0012]
Japanese Patent No. 2875206 describes that the oxygen concentration in the circulating gas is lowered by adopting the process shown in the system diagram of FIG. In this process, the raw material air pressurized by the
[0013]
In the
[0014]
In this process, the oxygen concentration of the circulating gas can be kept low even when the product recovery rate is high. However, when the recovery rate of product nitrogen gas increases, the oxygen concentration of the oxygen-enriched liquefied air that evaporates in the
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, in the conventional process, if the oxygen concentration in the oxygen-enriched air, which is the circulating gas, is increased, the circulating compressor must be made to be an oxygen compressor specification. Furthermore, as the oxygen concentration in the oxygen-enriched air increases, the pressure required to vaporize the oxygen-enriched liquefied air in the condenser decreases. Moreover, in order to use a normal air compressor, the oxygen concentration in the raw material mixed gas into which the circulating oxygen-enriched air has joined must be made approximately 25% or less, and the circulation amount is limited.
[0016]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a nitrogen production method and apparatus capable of producing product nitrogen at a high yield while reducing the power cost of the entire process.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, the nitrogen production method of the present invention is a method for collecting the product nitrogen liquefying rectification separation of raw material air, nitrogen gas and oxygen by introducing feed air into ShuseiTome portion a step of enriching liquefied air and nitrogen-enriched liquefied air and the rectification separation, a step of introducing a descending liquid the nitrogen-enriched liquefied air to the secondary rectification portion, the oxygen-enriched liquefied air in front Symbol nitrogen A process of vaporizing by heat exchange with part of the gas to form oxygen-enriched air and simultaneously liquefying the nitrogen gas to form liquefied nitrogen; and introducing the oxygen-enriched air into the secondary rectification section as a rising gas And rectifying and separating the nitrogen- enriched liquefied air introduced as a descending liquid and the oxygen-enriched air introduced as an ascending gas into a nitrogen-enriched gas and an oxygen-enriched liquid. And oxygen vaporizing the oxygen-enriched liquid by heat exchange with part of the nitrogen gas. At the same time as liquefied gas, the nitrogen gas is liquefied to form liquefied nitrogen, and liquefied nitrogen liquefied by heat exchange with the oxygen-enriched liquefied air and oxygen-enriched liquid is introduced as a descending liquid into the main rectifying section. A step of compressing the nitrogen-enriched gas and introducing it into the main rectifying unit, a step of deriving the oxygen-enriched gas of the secondary rectifying unit as a waste gas, and the remainder of the nitrogen gas as a product It has the process derived | led-out as follows.
[0019]
Furthermore, the method of the present invention is characterized in that the nitrogen-enriched gas has an oxygen concentration of 10 to 40% by volume.
[0020]
Furthermore, nitrogen production equipment of the present invention is an apparatus for collecting product nitrogen feed air liquefaction rectification separation to, rectification of feed air into nitrogen gas and oxygen-enriched liquefied air and nitrogen-enriched liquefied air Rectification separation of main rectifying column for distillation separation, condenser for liquefying a part of the nitrogen gas, and oxygen-enriched liquefied air and nitrogen-enriched liquefied air into nitrogen-enriched gas and oxygen-enriched liquid A circulation path for compressing the nitrogen-enriched gas with a compressor and reintroducing the nitrogen-enriched gas into the main rectifying tower, and a middle stage of the nitrogen- enriched liquefied air in the main rectifying tower A path to be extracted from the section and introduced to the upper part of the second rectifying column, a path to be used to extract the oxygen-enriched liquefied air from the lower part of the main rectifying column and to be introduced into the condenser, and the condenser was vaporized. A path for introducing oxygen-enriched air into the lower part of the second rectification column, and the oxygen-enriched liquid extracted from the second rectification column A path for introducing the nitrogen-enriched gas vaporized in the condenser as waste gas, and a path for collecting the nitrogen gas from the main rectification column as product nitrogen. It is characterized by.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Figure 1 is a system diagram showing a first reference example of the nitrogen production system. In the following embodiments, the same reference numerals are given to the same or similar components as those of the above-described conventional device in order to facilitate comparison with the conventional method.
[0023]
The nitrogen production apparatus shown in the first reference example includes, as main constituent devices, an
[0024]
The raw material air pressurized to a predetermined pressure by the
[0025]
By the rectification operation of the raw material mixed gas in the
[0026]
On the other hand, the oxygen-enriched liquefied air extracted from the bottom of the
[0027]
In the
[0028]
The nitrogen-enriched gas extracted from the top of the second rectification column to the
[0029]
Further, the oxygen-enriched liquid extracted from the bottom of the second rectification column to the
[0030]
In this way, the oxygen-enriched liquefied air extracted from the
[0031]
Therefore, by using the nitrogen-enriched gas separated in the
[0032]
In addition, by providing the
[0033]
Further, when the
[0034]
FIG. 2 is a system diagram showing a first embodiment of the present invention. In this embodiment, a part of the main rectifying tower descending liquid is extracted from the middle part of the
[0035]
First, the raw material mixed gas composed of the raw air introduced into the
[0036]
Oxygen-enriched liquefied air richer in oxygen than the air composition is extracted from the bottom of the
[0037]
On the other hand, as the descending liquid of the
[0038]
Therefore, in the
[0039]
FIG. 3 is a system diagram showing a second embodiment of the present invention, in which the pressure of circulating nitrogen-enriched gas is increased by a
[0040]
FIG. 4 is a system diagram showing a second reference example , in which the air compressor has a two-stage configuration, and the circulating gas (nitrogen-enriched gas) led out from the
[0041]
FIG. 5 is a system diagram showing a third reference example, and shows an example in which the supercooler 11 installed in each embodiment is omitted. In general, it is possible to improve the performance of the air liquefaction separation apparatus by providing the supercooler 11 and bringing the oxygen-enriched liquefied air introduced into the
[0042]
FIG. 6 is a system diagram showing a fourth reference example . As a condenser for liquefying nitrogen gas extracted from the upper part of the
[0043]
On the condensing side of one
[0044]
Further, nitrogen gas branched from the
[0045]
The liquefied nitrogen liquefied by both
[0046]
FIG. 7 is a system diagram showing a fifth reference example, and shows an example in which a gas-
[0056]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the nitrogen concentration in the circulating gas can be increased (the oxygen concentration can be decreased), so that the nitrogen yield can be increased by increasing the amount of the circulating gas, Since the heat exchange with the gas can be performed at a high pressure, the power of the circulating compressor for boosting the circulating gas can be reduced as compared with the conventional case. Moreover, since it becomes possible to use a normal air compressor as a circulation compressor, improvement in safety and reduction in cost can be realized. As a result, product nitrogen can be produced in a high yield while reducing the power cost of the entire process.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system diagram of a nitrogen production apparatus showing a first reference example .
FIG. 2 is a system diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a system diagram showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a system diagram showing a second reference example .
FIG. 5 is a system diagram showing a third reference example .
FIG. 6 is a system diagram showing a fourth reference example .
FIG. 7 is a system diagram showing a fifth reference example .
FIG. 8 is a system diagram showing an example of a conventional nitrogen production process.
FIG. 9 is a system diagram showing another example of the process.
FIG. 10 is a system diagram showing still another process example.
[Explanation of symbols]
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