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JPH076736B2 - Cryogenic rectification method and device using hybrid type argon column - Google Patents
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JPH076736B2 - Cryogenic rectification method and device using hybrid type argon column - Google Patents

Cryogenic rectification method and device using hybrid type argon column

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JPH076736B2
JPH076736B2 JP3020387A JP2038791A JPH076736B2 JP H076736 B2 JPH076736 B2 JP H076736B2 JP 3020387 A JP3020387 A JP 3020387A JP 2038791 A JP2038791 A JP 2038791A JP H076736 B2 JPH076736 B2 JP H076736B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、酸素、窒素及びアルゴ
ンを含む供給物を酸素富化成分、窒素富化成分及びアル
ゴン富化成分に分離する極低温精留方法及び装置に関す
る。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a cryogenic rectification method and apparatus for separating a feed containing oxygen, nitrogen and argon into an oxygen-rich component, a nitrogen-rich component and an argon-rich component.

【0002】[0002]

【従来の技術】例えば空気のような酸素、窒素及びアル
ゴンを含む混合物の分離に多く使用される工業システム
は極低温精留である。分離は、供給物圧力を高めること
により推進され、これは塔システムに導入される前に圧
縮機において供給物を圧縮することにより一般に達成さ
れる。分離は、単一或いは複数の塔において気−液接触
要素において向流接触状態で液体及び気体を通すことに
より実施され、それにより一層揮発性の、単数或いは複
数の成分が液体から蒸気に通入し、他方揮発性の低い単
数或いは複数の成分は蒸気から液体に通入する。蒸気が
塔を上昇するにつれ、蒸気は次第に揮発性成分で富化さ
れ、他方液体が塔を流下するにつれ液体は次第に低揮発
性成分で富化されるようになる。一般に、極低温分離
は、供給物を窒素富化成分と酸素富化成分に分離する少
なくとも一つの塔を含む主塔システムおいてそして主塔
システムからの供給物をアルゴン富化成分と酸素富化成
分とに分離する補助アルゴン塔において実施される。
BACKGROUND OF THE INVENTION An industrial system often used for separating mixtures containing oxygen, such as air, nitrogen and argon is cryogenic rectification. Separation is driven by increasing the feed pressure, which is generally accomplished by compressing the feed in a compressor before it is introduced into the column system. Separation is carried out by passing liquid and gas in countercurrent contact in a gas-liquid contact element in a column or columns, whereby more volatile component or components are passed from the liquid to the vapor. However, the less volatile component or components pass through the liquid from the vapor. As the vapor moves up the column, the vapor becomes progressively enriched with volatile components, while as the liquid flows down the column, the liquid becomes progressively enriched with less volatile components. In general, cryogenic separation is in a main column system that includes at least one column that separates the feed into a nitrogen-rich component and an oxygen-rich component, and feeds from the main column system are enriched with argon and oxygen. It is carried out in an auxiliary argon column which separates the components.

【0003】供給物圧縮機を運転しそしてそれにより分
離を推進するための動力コストが主たる分離のための運
転コストである。システム内での圧力降下が、供給物の
圧縮の負担を大きくし、増大せる供給物圧縮所要量をも
たらす。可能な限り低い圧力降下でもって極低温精留シ
ステムを運転し、それにより供給物圧縮負担を軽減する
ことが所望される。更に、使用される塔内の圧力水準が
低い程、成分間の相対揮発度は大きくなる。塔内での成
分間の揮発度が大きい程、分離は容易となり、これは結
局アルゴン、酸素及び窒素生成物回収量を増大する。従
来のアルゴン塔は、圧力降下の少ない充填物を全体に充
填して運転されていた。
The power cost to operate the feed compressor and thereby drive the separation is the major operating cost for separation. The pressure drop in the system places a heavy burden on feed compression and results in increased feed compression requirements. It is desirable to operate the cryogenic rectification system with the lowest possible pressure drop, thereby reducing the feed compression burden. Furthermore, the lower the pressure level in the column used, the greater the relative volatility between the components. The greater the volatility between the components in the column, the easier the separation, which ultimately increases the argon, oxygen and nitrogen product recovery. The conventional argon column has been operated by filling the entire packing with a small pressure drop.

【0004】アルゴン塔の運転において、比較的高いア
ルゴン濃度を有する蒸気流れが主塔システムから回収さ
れそしてアルゴン塔内に通入されそしてそこを昇高し、
その間にアルゴン濃度が次第に富化される。粗アルゴン
生成物がアルゴン塔の上部から回収される。アルゴン塔
への供給物と粗アルゴン生成物との間での圧力勾配によ
り蒸気はアルゴン塔を昇高する。アルゴン塔供給物の圧
力は蒸気抜出し点での主塔条件により決定される。
In the operation of an argon column, a vapor stream having a relatively high argon concentration is withdrawn from the main column system and passed into and elevated in the argon column,
Meanwhile, the argon concentration is gradually enriched. Crude argon product is recovered from the top of the argon column. The vapor raises the argon column due to the pressure gradient between the feed to the argon column and the crude argon product. The pressure of the argon column feed is determined by the main column conditions at the vapor withdrawal point.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】低減された圧力でのア
ルゴン塔の運転は、どれほど低い運転圧力が弊害なく実
現されうるかに関して2つの制約を受ける。一つの制約
は、アルゴン塔の上端での大気圧より低い圧力はシステ
ム内への空気の漏入を回避するために回避されるべきこ
とである。もう一つの制約は、アルゴン塔の上部凝縮器
に対する温度差と関与する。アルゴン塔上部での圧力の
低減はまた低温度をもたらし、従ってアルゴン凝縮器に
おいて凝縮しているアルゴンと沸騰しているケトル液体
との間の温度差が減少せしめられる。凝縮器の有効な運
転には約0.7°Kの最小温度差は必要である。アルゴ
ン塔への供給圧力が弁の使用を通して低減されるとき、
主塔に戻して返送しなければならないアルゴン塔底部に
おける液体が返送点における主塔内の圧力よりもはや低
い圧力となる点で重大な欠点が生じる。従って、例えば
ポンプ加圧により或いはアルゴン塔の高さを増大するこ
とにより液体の再加圧が必要である。この再加圧は高い
コストを必要としそしてシステムの非効率化を生む。
Operation of an argon column at reduced pressure is subject to two constraints regarding how low operating pressures can be achieved without harm. One constraint is that subatmospheric pressures at the top of the argon column should be avoided to avoid air leaks into the system. Another constraint involves the temperature differential for the top condenser of the argon column. Reducing the pressure at the top of the argon column also results in a lower temperature, thus reducing the temperature difference between the condensing argon and the boiling kettle liquid in the argon condenser. A minimum temperature difference of about 0.7 ° K is required for effective operation of the condenser. When the feed pressure to the argon column is reduced through the use of a valve,
A significant disadvantage arises in that the liquid at the bottom of the argon column, which must be returned to the main column and returned, is no longer at a pressure below the pressure in the main column at the return point. Therefore, repressurization of the liquid is necessary, for example by pump pressurization or by increasing the height of the argon column. This repressurization is costly and results in system inefficiency.

【0006】従って、本発明の課題は、アルゴン塔をそ
こから主塔へと戻して通される液体の再加圧の必要なく
アルゴン塔を低減された平均圧力で運転することの出来
る酸素、窒素及びアルゴンを含む供給物を分離する極低
温分離方法を提供することである。
The object of the present invention is therefore to provide oxygen, nitrogen which makes it possible to operate an argon column at a reduced mean pressure without having to repressurize the liquid which is passed from there back into the main column. And a cryogenic separation method for separating a feed containing argon.

【0007】本発明のまた別の課題は、主塔システムと
補助アルゴン塔を備える極低温空気分離装置においてア
ルゴン塔をそこから主塔へと通される液体の圧力の増大
の必要なくアルゴン塔を低減された平均圧力で運転する
ことの出来る極低温分離装置を提供することである。
Yet another object of the present invention is to provide an argon column in a cryogenic air separation unit comprising a main column system and an auxiliary argon column without the need for increasing the pressure of the liquid passed from the argon column to the main column. It is an object of the present invention to provide a cryogenic separation device capable of operating at a reduced average pressure.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明者は、アルゴン塔
の構成を変更し、下方のトレー区画と上方の充填物区画
を併用する構成がこうした課題を解決するに適切である
ことを見出した。
The present inventor has found that the configuration of the argon column is modified so that a combination of the lower tray section and the upper packing section is suitable for solving these problems. .

【0009】本発明は、方法の様相において、 (A)少なくとも一つの精留塔を備える主塔システムに
酸素、窒素及びアルゴンを含む供給物を供給する段階
と、 (B)主塔システム内においての向流気−液接触により
前記供給物を窒素富化成分と酸素富化成分とに分離する
段階と、 (C)前記主塔システムからのアルゴン及び酸素を含む
流体をアルゴン塔に通す段階と、 (D)該流体をアルゴン塔内での向流気−液接触により
アルゴン富化成分と酸素富化成分とに分離する段階と、
を包含し、その場合(E)前記アルゴン塔内での向流気
−液接触をアルゴン塔の下方部分におけるトレーを備え
る気−液接触要素においてそしてアルゴン塔の残部にお
ける充填物を備える気−液接触要素において実施する極
低温精留方法を提供する。
In a method aspect, the invention comprises: (A) feeding a feed comprising oxygen, nitrogen and argon to a main column system comprising at least one rectification column, and (B) in the main column system. Separating the feed into a nitrogen-enriched component and an oxygen-enriched component by countercurrent gas-liquid contact of (C) passing a fluid containing argon and oxygen from the main column system through an argon column. (D) separating the fluid into an argon-enriched component and an oxygen-enriched component by countercurrent gas-liquid contact in an argon column;
Wherein (E) countercurrent gas-liquid contact in said argon column in a gas-liquid contacting element with a tray in the lower part of the argon column and with a packing in the remainder of the argon column. Provided is a cryogenic rectification method carried out in a contact element.

【0010】本発明は、装置の様相において、 (A)気液接触要素を有する少なくとも一つの精留塔を
備える主塔システム、 (B)下方部分においてトレーを備える気−液接触要素
をそして残部において充填物を備える気−液接触要素を
有するアルゴン塔、及び (C)前記主塔システムから前記アルゴン塔の下方部分
内へと流体を提供する手段を備える極低温分離装置を提
供する。
The invention, in an apparatus aspect, comprises (A) a main column system comprising at least one rectification column having a gas-liquid contacting element, (B) a gas-liquid contacting element comprising a tray in the lower part and the balance. And an argon column having a gas-liquid contacting element with packing in (C), and (C) a cryogenic separator comprising means for providing fluid from the main column system into the lower portion of the argon column.

【0011】(用語の定義) ここで使用するものとしての用語「塔」は、蒸留或いは
分留を実施するためのカラム或いは帯域、即ち液体及び
気体相を向流で接触して流体混合物の分離をもたらす接
触カラム或いは帯域を意味し、これは例えばカラム内に
取付けられた一連の垂直方向に隔置されたトレー或いは
プレートにおいて或いはカラムに充填した充填物要素に
おいて蒸気及び液体相を接触することにより実施され
る。蒸留塔のこれ以上の詳細については、マックグロー
ヒル・ブック・カンパニーにより出版された、R.H.
Perry等編「ケミカル・エンジニアズ・ハンドブッ
ク」13−3頁、連続蒸留プロセスを参照されたい。ま
た、ここで使用するものとしての「複塔」とは、高圧塔
と低圧塔とからなり、高圧塔の上端を低圧塔の下端と熱
交換関係で接触せしめた塔を云う。複塔についての詳し
い論議は、オックスフォード・ユニバーシティ・プレス
出版(1949年)のルヘマン著「ザ・セパレーション
・オブ・ガスズ」VII章の「工業的空気分離」に掲載
されている。
DEFINITION OF TERMS The term "column" as used herein refers to a column or zone for carrying out distillation or fractional distillation, that is, separation of a fluid mixture by countercurrent contact of liquid and gas phases. Means a contacting column or zone which provides, for example, by contacting the vapor and liquid phases in a series of vertically spaced trays or plates mounted in the column or in packing elements packed in the column. Be implemented. Further details of the distillation column can be found in R. R., published by McGraw-Hill Book Company. H.
See Perry et al., "Chemical Engineers Handbook," pages 13-3, continuous distillation process. The term "double column" as used herein refers to a column composed of a high pressure column and a low pressure column, in which the upper end of the high pressure column is brought into contact with the lower end of the low pressure column in a heat exchange relationship. A more detailed discussion of the double tower can be found in "The Separation of Gases", Chapter VII, "Industrial Air Separation," by Ruheman, Oxford University Press (1949).

【0012】ここで使用するものとしての「アルゴン
塔」とは、上方に流れる蒸気を降下する液体に対して向
流接触することによりアルゴンで漸次富化し、そしてア
ルゴン生成物を塔から回収する塔を云う。
As used herein, an "argon column" is a column that progressively enriches with argon by countercurrently contacting an upwardly flowing vapor with a descending liquid and recovers the argon product from the column. Say.

【0013】「間接熱交換」とは、2種の流体流れを流
体同志の物理的接触或いは相互混合なく熱交換関係に持
ちきたすことを云う。「気−液接触要素」とは、2相の
向流流れ中気−液界面において物質移動即ち成分分離を
促進するために塔内部で使用される装備を云う。「トレ
ー」とは、開口並びに液体入口及び出口を備える実質上
平坦な板であり、蒸気が開口を通して流れるに際して液
体が板を横断して流れて2相間の物質移動を可能ならし
める塔内に配備される板を云う。「充填物(パッキン
グ)」とは、2相の向流流れ中気−液界面において物質
移動を可能ならしめるよう液体に対して表面積を提供す
るべく塔内部詰め物として使用される所定の形態、寸法
及び形状を有する、任意の中実或いは中空体を云う。
「無秩序充填物」とは、個々の部材が互いに或いは塔軸
線に対してある特定の配向を有しないような充填物を云
う。「組織化された充填物」とは、個々の部材が互いに
或いは塔軸線に対してある特定の配向を有する充填物を
云う。「理論段(ステージ)」とは、流出する流れが平
衡状態であるように一つの段(ステージ)への上方に流
れる蒸気と下方に流れる液体との間での理想的な接触を
意味する。
"Indirect heat exchange" means bringing two fluid streams into a heat exchange relationship without physical contact between fluids or mutual mixing. "Gas-liquid contact element" refers to equipment used within the column to promote mass transfer or component separation at the gas-liquid interface in a two-phase countercurrent flow. A "tray" is a substantially flat plate with an opening and a liquid inlet and outlet that is placed in a column that allows liquid to flow across the plate as vapor flows through the opening, allowing mass transfer between two phases. A plate that is called. "Packing" is a defined form, dimension used as internal packing in a column to provide a surface area for a liquid to enable mass transfer at the gas-liquid interface in a two-phase countercurrent flow. And any shape having a solid or hollow body.
"Chaotic packing" refers to packing in which the individual members have no particular orientation with respect to each other or the column axis. "Organized packing" refers to packing in which the individual members have a particular orientation with respect to each other or the column axis. By "theoretical stage" is meant the ideal contact between the upwardly flowing vapor and the downwardly flowing liquid into one stage so that the outgoing flow is in equilibrium.

【0014】[0014]

【作用】アルゴン塔の下方部分内のトレーは、上昇蒸気
と降下液体との間での物質移動をもたらす気−液接触手
段として機能するのみならず、アルゴン塔が一層低い平
均圧力水準において運転しうるようにアルゴン塔の入口
での圧力低減を生み出すための手段として働く。従っ
て、分離度の改善といった低い圧力による運転からの利
益のほとんどが実現され同時にまたアルゴン塔から主塔
システムへの流体の返送をその加圧の必要なく可能なら
しめる。
The tray in the lower part of the argon column not only functions as a gas-liquid contact means to effect mass transfer between the ascending vapor and the descending liquid, but the argon column operates at a lower average pressure level. Acts as a means to create a pressure reduction at the inlet of the argon column. Therefore, most of the benefits from low pressure operation, such as improved resolution, are realized while at the same time allowing the return of fluid from the argon column to the main column system without the need for its pressurization.

【0015】[0015]

【実施例】本発明方法及び装置を図面を参照して詳細に
説明する。第1図を参照すると、空気のような、酸素、
窒素及びアルゴンを含む供給物1は、フィルター2を通
すことによりダストその他の粒状物質を除去される。ろ
過された供給物(空気)3は、圧縮機4を通すことによ
り一般に4.9〜13.3kg/cm絶対圧(70〜
190psia)範囲内の圧力にまで圧縮される。圧縮
された供給物(空気)5は、浄化弱6を通すことにより
水、二酸化炭素及び炭化水素のような高沸点不純物を除
去される。浄化された圧縮供給物(空気)7は、熱交換
器8において塔からの生成物乃び廃棄物流れとの間接熱
交換により液化温度近くにまで冷却される。浄化され、
圧縮されそして冷却された供給物(空気)9はその後、
複塔式である主塔システムの高圧塔である第1塔10に
導入される。本発明と共に使用出来る他の主塔システム
としては単塔、並びに直列に配置された2つ以上の塔が
含まれる。塔10は一般に、4.2〜12.6kg/c
絶対圧(60〜180psia)の範囲内の圧力で
運転される。供給物(空気)のうちの少部分40は、熱
交換器8の中間から抜出され、タービン41において膨
張せしめられそして後低圧塔13内に窒素抜出し点より
は下であるが、アルゴン塔供給物抜出し点より上の地点
で導入される。これら抜出し点については以下に詳述す
る。塔13は、ここでは、複塔式主塔システムの低圧塔
である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The method and apparatus of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Referring to FIG. 1, oxygen, such as air,
A feed 1 containing nitrogen and argon is passed through a filter 2 to remove dust and other particulate matter. The filtered feed (air) 3 is generally 4.9 to 13.3 kg / cm 2 absolute pressure (70 to
Compressed to a pressure in the range of 190 psia). The compressed feed (air) 5 is passed through a weak purification 6 to remove high boiling impurities such as water, carbon dioxide and hydrocarbons. The purified compressed feed (air) 7 is cooled in the heat exchanger 8 to near the liquefaction temperature by indirect heat exchange with the product and waste streams from the column. Purified,
The compressed and cooled feed (air) 9 is then
It is introduced into the first tower 10 which is a high pressure tower of the main tower system which is a double tower type. Other main tower systems that can be used with the present invention include single towers, as well as two or more towers arranged in series. The tower 10 is generally 4.2 to 12.6 kg / c.
It is operated at a pressure in the range of m 2 absolute pressure (60-180 psia). A small portion 40 of the feed (air) is withdrawn from the middle of the heat exchanger 8 and expanded in the turbine 41 and into the post low pressure column 13 below the nitrogen withdrawal point but below the argon column feed. It is introduced at a point above the extraction point. These extraction points will be described in detail below. The tower 13 is here the low-pressure tower of the double tower main tower system.

【0016】塔10内で、供給物(空気)は、精留作用
により窒素富化蒸気と酸素富化液体とに分離される。窒
素富化蒸気11は、塔10から導管手段を通して好まし
くは第2塔13内に配置される主凝縮器12に通され
る。主凝縮器12はまた塔13の壁の外側に物理的に配
置されうる。主凝縮器12内では、窒素富化蒸気11が
再沸する塔13の底液との間接熱交換により凝縮せしめ
られる。生成する窒素富化液体14は、導管手段を通し
て、塔10に還流として通される。生成する窒素富化液
体の、一般に20〜50%の範囲内である一部は、塔1
3にその頂部或いはその近くで通入される。
In the column 10, the feed (air) is separated into a nitrogen-enriched vapor and an oxygen-enriched liquid by rectification. Nitrogen-enriched vapor 11 is passed from column 10 through conduit means to a main condenser 12 which is preferably located in the second column 13. The main condenser 12 may also be physically located outside the wall of the column 13. In the main condenser 12, the nitrogen-enriched vapor 11 is condensed by indirect heat exchange with the bottom liquid of the column 13 that reboils. The resulting nitrogen-enriched liquid 14 is passed as reflux to column 10 through conduit means. A portion of the resulting nitrogen-enriched liquid, generally in the range of 20-50%, is
Passed to No. 3 at or near its top.

【0017】酸素富化液体16が、第1塔10から取出
されそして後アルゴン塔頂部凝縮器17内に通入され、
ここでアルゴン塔の塔頂蒸気との間接熱交換により部分
蒸発せしめられる。生成する蒸気及び液体は、塔13内
にそれぞれ流れ18及び42として窒素抜出し点より下
で且つアルゴン塔供給物抜出し点より上の地点で通入さ
れる。
Oxygen-enriched liquid 16 is withdrawn from the first column 10 and passed into a post argon column overhead condenser 17,
Here, it is partially evaporated by indirect heat exchange with the top vapor of the argon column. The vapors and liquids produced are passed into the column 13 as streams 18 and 42, respectively, below the nitrogen withdrawal point and above the argon column feed withdrawal point.

【0018】第2塔13は、第1塔10より低い圧力で
そして一般に0.8〜3.2kg/cm絶対圧(12
〜45psia)の範囲内の圧力で運転される。第2塔
13内で、そこに導入された流体は、精留作用により窒
素富化成分と酸素富化成分とに分離され、これらはそれ
ぞれ窒素生成物及び酸素生成物として回収されうる。酸
素生成物は一般に約99%を超える純度を有する気体及
び/或いは液体として回収されうる。気体酸素生成物は
第2塔13から主凝縮器12上方の地点において取り出
され、流れ19として熱交換器8を通されそして流れ2
0として回収される。一般に約99.9%を超える純度
を有する窒素生成物は、第2塔13の頂部から流れ22
として取り出され、熱交換器8を通されそして流れ24
として回収される。分離システムの運転を容易ならしめ
る廃棄窒素流れ25もまた、第2塔から取り出され、熱
交換器8を通されそして流れ23として排出される。流
れ25は、第2塔13からそこに窒素富化流れを導入す
る点より上の点で抜出される。
The second column 13 is at a lower pressure than the first column 10 and generally 0.8 to 3.2 kg / cm 2 absolute pressure (12
Operated at pressures in the range of ~ 45 psia). In the second column 13, the fluid introduced therein is separated into a nitrogen-enriched component and an oxygen-enriched component by rectification, which can be recovered as a nitrogen product and an oxygen product, respectively. Oxygen products can generally be recovered as a gas and / or liquid having a purity of greater than about 99%. The gaseous oxygen product is withdrawn from the second column 13 at a point above the main condenser 12, passed through the heat exchanger 8 as stream 19 and stream 2
Collected as 0. The nitrogen product, which generally has a purity of greater than about 99.9%, flows from the top of second column 13 to stream 22.
As heat, passed through heat exchanger 8 and stream 24
Will be collected as. A waste nitrogen stream 25, which facilitates the operation of the separation system, is also withdrawn from the second column, passed through the heat exchanger 8 and discharged as stream 23. Stream 25 is withdrawn from the second column 13 at a point above the point at which the nitrogen enriched stream is introduced.

【0019】第1図は、塔10内の気−液接触要素がす
べてトレー44でありそして塔13内の気−液接触要素
がすべて充填物43であるような一つの好ましい配列構
成を例示する。塔10内の気−液接触要素はまたすべて
充填物でありうるしまたトレーと充填物の組合せであり
うる。塔13内の気−液接触要素もまた、すべてトレー
としてもよいし或いはトレーと充填物との組合せであっ
てもよい。塔13に対するそうした組合せ配列は、流れ
40の導入点と流れ25の抜出し点との間の塔部分をト
レーから構成し、そして気−液接触要素の残部を充填物
であるようにされうる。充填物は、無秩序或いは組織化
された充填物いずれでもよい。しかし、組織化された充
填物が無秩序充填物より好ましい。組織化充填物の例と
しては、米国特許第2,047,444号に記載される
ステッドマン(Stedman)充填物、Trans.
Instn.Chem.Engrs.,41,1963
に記載されたグッドロー(Goodloe)充填物並び
に米国特許第4,186,159及び4,296,05
0号に記載されるようなもっと最近になって開発され一
層効率よく組織づけられた充填物がある。
FIG. 1 illustrates one preferred arrangement in which all gas-liquid contact elements in column 10 are trays 44 and all gas-liquid contact elements in column 13 are packing 43. . The gas-liquid contact elements in column 10 can also all be packings or a combination of trays and packings. The gas-liquid contact elements in column 13 can also be all trays or a combination of trays and packing. Such a combined arrangement for column 13 may be such that the column portion between the inlet of stream 40 and the outlet of stream 25 comprises trays and the balance of the gas-liquid contacting element is packing. The packing can be either disordered or organized packing. However, structured packing is preferred over chaotic packing. Examples of structured packings include the Stemman packings described in US Pat. No. 2,047,444, Trans.
Instn. Chem. Engrs. , 41, 1963
Goodloe filling described in US Pat. Nos. 4,186,159 and 4,296,05.
There are more recently developed and more efficiently organized packings such as those described in No. 0.

【0020】本発明の分離システムは更に、粗アルゴン
の産出を含んでいる。第1図に戻って、流れ26が塔1
3の中間点から抜出される。この地点で、アルゴン濃度
は塔内で一般に10〜20%の最大水準にあるか乃至は
それに近い。流れ26は、一般にそして好ましくは第1
図に例示されるような蒸気流れである。流れ26の残部
の大半は酸素からなり、同時に窒素が1%未満の濃度で
流れ26中に存在しうる。
The separation system of the present invention further includes the production of crude argon. Returning to FIG. 1, stream 26 is tower 1
It is extracted from the middle point of 3. At this point, the argon concentration is at or near the maximum level in the column, typically 10-20%. Stream 26 is generally and preferably first
It is a steam flow as illustrated in the figure. The majority of the remainder of stream 26 consists of oxygen while nitrogen may be present in stream 26 at a concentration of less than 1%.

【0021】流れ26は主塔システムから導管手段を通
してアルゴン塔27の下方部分に通される。アルゴン塔
は一般に0.8〜3.2kg/cm絶対圧(12〜4
5psia)の範囲内の圧力で運転される。蒸気は、ア
ルゴン塔27を上って流れそして降下液体との向流流れ
によりアルゴンで次第に富化されるようになる。
Stream 26 is passed from the main column system through conduit means to the lower portion of argon column 27. The argon column is generally 0.8-3.2 kg / cm 2 absolute pressure (12-4
Operated at pressures in the range of 5 psia). The vapor becomes progressively enriched with argon by flowing up the argon column 27 and countercurrent with the falling liquid.

【0022】アルゴン富化蒸気はアルゴン塔27から頂
部凝縮器17に通され、ここで部分蒸発している酸素富
化液体16との間接熱交換により部分凝縮せしめられ
る。生成する部分凝縮アルゴン富化流体29は分離器3
0に通される。アルゴン富化蒸気31は一般に96%を
超えるアルゴン濃度を有する粗アルゴン生成物として分
離器30から回収され、他方液体32は分離器30から
アルゴン塔27内に降下流体として通される。アルゴン
塔27の底部に溜りそして流れ26の酸素濃度を超える
酸素濃度を有する液体は、第2塔13内に流れ33とし
て通される。アルゴン塔27を通しての蒸気の流れは流
れ26の圧力と流れ28の圧力との間の圧力差によりも
たらされる。
The argon-enriched vapor is passed from the argon column 27 to the top condenser 17 where it is partially condensed by indirect heat exchange with the partially vaporized oxygen-enriched liquid 16. The partially condensed argon-enriched fluid 29 produced is separated by the separator 3
Passed through 0. Argon-enriched vapor 31 is recovered from separator 30 as crude argon product, which generally has an argon concentration of greater than 96%, while liquid 32 is passed from separator 30 into argon column 27 as a descending fluid. The liquid that collects at the bottom of the argon column 27 and has an oxygen concentration above that of stream 26 is passed into second column 13 as stream 33. The vapor flow through the argon column 27 is provided by the pressure difference between the pressures of stream 26 and 28.

【0023】アルゴン塔27の内部の気−液接触要素
は、アルゴン塔の下方部分において少なくとも一つのト
レーを含む。本発明の一番広い具体例において、アルゴ
ン塔の下方部分は、アルゴン塔の高さの下方50%を構
成し、ここでは運転中接触する蒸気及び液体中のアルゴ
ン濃度は一般に75%以下である。本発明の好ましい具
体例において、アルゴン塔の下方部分は、アルゴン塔の
高さの下方25%を構成し、ここでは運転中接触する蒸
気及び液体中のアルゴン濃度は一般に50%以下であ
る。本発明のより好ましい具体例において、アルゴン塔
の下方部分は、アルゴン塔の高さの下方10%を構成
し、ここでは運転中接触する蒸気及び液体中のアルゴン
濃度は一般に25%以下である。第1図に例示されるよ
うに、アルゴン塔のこの下方部分においては、気−液接
触要素はすべてトレー45である。アルゴン濃度が一般
に上に指定した濃度を超えるアルゴン塔の残部における
気−液接触要素は充填物46を含んでいる。好ましくは
充填物は組織化された充填物である。
The gas-liquid contacting element inside the argon column 27 comprises at least one tray in the lower part of the argon column. In the broadest embodiment of the present invention, the lower portion of the argon column constitutes 50% below the height of the argon column, wherein the concentration of argon in the vapor and liquid contacted during operation is generally below 75%. . In a preferred embodiment of the invention, the lower part of the argon column constitutes 25% below the height of the argon column, wherein the argon concentration in the vapor and liquid which are in contact during operation is generally below 50%. In a more preferred embodiment of the present invention, the lower part of the argon column constitutes 10% below the height of the argon column, wherein the argon concentration in the vapor and liquid contacted during operation is generally below 25%. In this lower part of the argon column, the gas-liquid contact elements are all trays 45, as illustrated in FIG. The gas-liquid contact element in the remainder of the argon column, where the argon concentration generally exceeds the concentrations specified above, contains packing 46. Preferably the packing is a structured packing.

【0024】アルゴン塔の下方部分におけるトレーの数
は、ほぼ1〜5トレーの最小限からほぼ20〜30トレ
ーの最大限までの範囲でありうる。トレーの数は、理論
段当たりのトレー圧力降下、理論段当たりの充填物圧力
降下、上方塔頂端アルゴン塔への給送のために蒸気を抜
出す点との間で指定される理論段数、更にはアルゴン塔
内で指定される理論段数に依存する。使用されるトレー
の数はアルゴン塔の頂部における圧力が大気圧より低下
する程に多くてはならない。これは空気漏入によるアル
ゴン生成物の汚染の危険が存在するからである。トレー
の数は、アルゴン塔の上端における凝縮するアルゴン蒸
気の圧力従って温度がアルゴン凝縮器の有効な熱伝達性
能に対して低過ぎる程に多くすべきではない。代表的
に、アルゴン塔内の理論段数の約半分までがこうした問
題を起こさないトレーを構成する。すべて充填物で運転
される塔の圧力より低い平均圧力でアルゴン塔の運転を
可能ならしめ、同時に流体が主塔からアルゴン塔への通
入のために抜出される点での主塔の圧力とほぼ同じ圧力
にアルゴン塔の底部の圧力を維持することを可能ならし
めるに充分数のトレーが使用される。
The number of trays in the lower portion of the argon column can range from a minimum of approximately 1-5 trays to a maximum of approximately 20-30 trays. The number of trays is defined by the tray pressure drop per theoretical plate, the packing pressure drop per theoretical plate, the number of theoretical plates specified between the point at which vapor is withdrawn for feeding to the upper overhead argon column, and Depends on the number of theoretical plates specified in the argon column. The number of trays used should not be so great that the pressure at the top of the argon column drops below atmospheric pressure. This is because there is a risk of contamination of the argon product due to air leaks. The number of trays should not be so great that the pressure of condensing argon vapor at the top of the argon column and thus the temperature is too low for the effective heat transfer performance of the argon condenser. Typically, up to about half of the theoretical plates in an argon column make up trays that do not cause these problems. It enables the operation of the argon column at an average pressure that is lower than the pressure of the column, which is operated entirely with packing, and at the same time the pressure of the main column at the point where fluid is withdrawn for entry into the argon column from the main column. A sufficient number of trays are used to allow the bottom pressure of the argon column to be maintained at about the same pressure.

【0025】主塔システムからアルゴン塔内に通入され
る流体が、気−液接触要素がトレーから構成されるアル
ゴン塔の下方部に通される、好ましくは第1図に例示さ
れるようにアルゴン塔への供給流れがそこにその底部か
ら導入されることが重要である。こうして、アルゴン塔
内の上向きに流れる蒸気流れはトレー付き区画を通過す
る間圧力降下を受け、よって塔の下方部において著しい
圧力勾配を確立する。アルゴン塔の上部区画での充填物
の使用は、塔の残部にわたっての圧力勾配を低減する。
アルゴン塔の底部でのトレーの使用により、アルゴン塔
の底での圧力は主塔システムからの入来流れの圧力とは
異なっておらず、従って第1図における流れ33のよう
なアルゴン塔からの液体はポンプ加圧或いは液体ヘッド
の追加のような加圧の必要なく主塔システムに戻すこと
が出来る。
The fluid passed into the argon column from the main column system is passed into the lower part of the argon column where the gas-liquid contact elements consist of trays, preferably as illustrated in FIG. It is important that the feed stream to the argon column is introduced there from the bottom. Thus, the upwardly flowing vapor stream in the argon column experiences a pressure drop while passing through the trayed compartment, thus establishing a significant pressure gradient in the lower part of the column. The use of packing in the upper section of the argon column reduces the pressure gradient across the rest of the column.
Due to the use of trays at the bottom of the argon column, the pressure at the bottom of the argon column is not different from the pressure of the incoming stream from the main column system, and thus the pressure from the argon column, such as stream 33 in FIG. Liquid can be returned to the main column system without the need for pressurization such as pump pressurization or the addition of a liquid head.

【0026】アルゴン塔におけるトレーと充填物との組
合せ使用は、アルゴン塔の運転をアルゴン塔内をすべて
充填物として達成される圧力に比べて低い平均圧力水準
で可能ならしめる。従って、より低圧での酸素に対する
アルゴンの改善された相対揮発度からの有利さが、アル
ゴン塔の頂部或いは底部での運転上での問題を導入する
ことなく改善されたアルゴン分離及び回収を可能とす
る。
The combined use of trays and packing in an argon column allows operation of the argon column at a low average pressure level compared to the pressure achieved with all packing in the argon column. Thus, the benefit from the improved relative volatility of argon to oxygen at lower pressures allows for improved argon separation and recovery without introducing operational problems at the top or bottom of the argon column. To do.

【0027】任意の適当な型式のトレーが本発明におい
て使用しうる。その例としては、シーブトレー、バブル
キャップトレー、バルブトレー等を挙げることが出来
る。トレー当たり一層高い圧力降下を生じるトレーがこ
こで述べたように好ましいが、本発明の利点は、アルゴ
ン塔内でもっと少ないトレーの使用でも得られる。例え
ば、適当なトレーとして、少ない有効穴面積を持つシー
ブトレーを含むことが出来る。
Any suitable type of tray may be used in the present invention. Examples thereof include sieve trays, bubble cap trays, valve trays and the like. Although trays that produce higher pressure drops per tray are preferred as described herein, the benefits of the present invention are obtained with the use of fewer trays in the argon column. For example, a suitable tray may include a sieve tray with a small effective hole area.

【0028】[0028]

【発明の効果】第2図は、従来型式のアルゴン塔、バル
ブによるような供給圧力減少手段を有するアルゴン塔及
び本発明のハイブリッド(混成)アルゴン塔の圧力プロ
フィルを例示する。第2図を参照すると、線A−Bは、
アルゴン塔の高さ全体にわたってすべて充填物を配した
従来型式のアルゴン塔の圧力プロフィルを例示する。線
C−D−Eは、供給物の圧力を塔内への導入前に低減し
た、すべて充填物を配した従来型式のアルゴン塔の圧力
プロフィルを例示する。線A−D−Eは、本発明のハイ
ブリッド(混成)アルゴン塔の圧力プロフィルを例示す
る。図からわかるように、ハイブリッドアルゴン塔の頂
部における圧力は供給圧を低減した塔のそれと同じであ
る。しかし、ハイブリッドアルゴン塔の底部の圧力は、
供給圧を低減した塔の圧力を超える。従って、低い圧力
による利益のほとんどがハイブリッドアルゴン塔の使用
により実現され同時にまたアルゴン塔から主塔システム
への流体の返送をその加圧に必要なく可能ならしめる。
FIG. 2 illustrates the pressure profile of a conventional argon column, an argon column with a feed pressure reducing means such as a valve, and the hybrid argon column of the present invention. Referring to FIG. 2, line AB is
1 illustrates the pressure profile of a conventional argon column with all packings placed across the height of the argon column. Line C-D-E illustrates the pressure profile of a conventional, fully packed Argon column where the feed pressure was reduced prior to introduction into the column. Lines A-D-E illustrate the pressure profile of the hybrid (hybrid) argon column of the present invention. As can be seen, the pressure at the top of the hybrid argon column is the same as that of the reduced feed pressure column. However, the pressure at the bottom of the hybrid argon column is
The pressure in the tower with reduced feed pressure is exceeded. Therefore, most of the benefit of the low pressure is realized by the use of a hybrid argon column, while also allowing the return of fluid from the argon column to the main column system without the need for its pressurization.

【0029】今や、本発明の方法及び装置の使用によ
り、改善されたアルゴン回収でもって極低温空気分離を
実施することが出来る。複塔システムにおいて、低圧塔
の気−液接触要素は実質上充填物から構成することが出
来、従ってこの塔を通しての圧力降下を減少しそして供
給物圧力要件を軽減することが出来る。更に、充填物は
アルゴン塔においても使用されてアルゴン回収を向上す
る。しかも、アルゴン塔の下方部分をトレーから成る気
−液接触要素とすることによりアルゴン塔内に所要の圧
力勾配が提供されて、アルゴン塔の頂部に大気圧より低
い圧力状態を惹起するすることなく適当な蒸気上昇流れ
を可能ならしめ、同時にアルゴン塔の底部において追加
加圧の必要なくアルゴン塔から主塔システムへ戻して液
体を返送するに充分の圧力を維持する。
By using the method and apparatus of the present invention, cryogenic air separation can now be performed with improved argon recovery. In a double column system, the gas-liquid contact element of the low pressure column can consist essentially of packing, thus reducing the pressure drop through the column and reducing feed pressure requirements. In addition, packing is also used in the argon column to improve argon recovery. Moreover, by providing a gas-liquid contact element consisting of a tray in the lower part of the argon column, the required pressure gradient is provided in the argon column without causing a pressure state below atmospheric pressure at the top of the argon column. A suitable vapor upflow is allowed while at the same time maintaining sufficient pressure to return liquid from the argon column back to the main column system without the need for additional pressurization at the bottom of the argon column.

【0030】本発明方法及び装置において、アルゴン塔
の下方部分内のトレーは2つの機能を達成する。これら
トレーは、アルゴン塔が一層低い平均圧力水準において
運転しうるようにアルゴン塔の入口での圧力低減を生み
出すための手段として働く。同時に、それらは、アルゴ
ン塔内での上昇蒸気と降下液体との間での物質移動をも
たらす気−液接触手段として機能する。
In the method and apparatus of the present invention, the tray in the lower portion of the argon column serves two functions. These trays act as a means to create a pressure reduction at the inlet of the argon column so that the argon column can operate at lower average pressure levels. At the same time, they act as gas-liquid contacting means that effect mass transfer between the ascending vapor and the descending liquid in the argon column.

【0031】本発明の具体例について詳しく説明した
が、当業者は本発明の範囲内で多くの改変を為しうるこ
とが理解されよう。
Although specific embodiments of the present invention have been described in detail, those skilled in the art will appreciate that many modifications can be made within the scope of the invention.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】複塔式の主塔システムを有する、本発明の一具
体例の概略流れ図である。
FIG. 1 is a schematic flow diagram of one embodiment of the present invention having a double tower main tower system.

【図2】3種のアルゴン塔の高さと圧力の関係を説明す
るグラフ的表示図である。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the height and pressure of three types of argon towers.

【符合の説明】[Explanation of sign]

1 供給物 2 フィルター 4 圧縮機 6 浄化器 8 熱交換器 9 浄化され、圧縮されそして冷却された供給物 10 第1塔(高圧塔) 11 窒素富化蒸気 12 主凝縮器 13 第2塔(低圧塔) 14 窒素富化液体 16 酸素富化液体 17 アルゴン塔頂部凝縮器 18、42 生成する蒸気及び液体 20 酸素生成物 24 窒素生成物 25 廃棄窒素 26 アルゴン及び酸素を含む流体(粗アルゴン抜出し
流れ) 27 アルゴン塔 29 部分凝縮アルゴン富化流体 30 分離器 31 アルゴン富化蒸気生成物 32 液体 33 第2塔への流れ 45 トレー 46 充填物
1 Feed 2 Filter 4 Compressor 6 Purifier 8 Heat Exchanger 9 Purified, Compressed and Cooled Feed 10 First Tower (High Pressure Tower) 11 Nitrogen Enriched Steam 12 Main Condenser 13 Second Tower (Low Pressure) 14) Nitrogen-enriched liquid 16 Oxygen-enriched liquid 17 Argon top condenser 18, 42 Generated vapor and liquid 20 Oxygen product 24 Nitrogen product 25 Waste nitrogen 26 Fluid containing argon and oxygen (crude argon withdrawal stream) 27 Argon Tower 29 Partially Condensed Argon Enriched Fluid 30 Separator 31 Argon Enriched Vapor Product 32 Liquid 33 Flow to Second Column 45 Tray 46 Packing

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マイケル・ジェイムズ・ロケット 米国ニューヨーク州グランド・アイラン ド、フェリー・ロード2133 (72)発明者 ジェイムズ・ロバート・ドレイ 米国ニューヨーク州ケンモー、ハートフォ ード・アベニュー267 (56)参考文献 特開 平1−244269(JP,A) 特開 昭59−4871(JP,A) 特開 平1−312382(JP,A) 特開 昭59−24168(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Michael James Rocket Ferry Road, Grand Island, New York, USA 2133 (72) Inventor James Robert Dray Kenford, New York, USA Heartford Avenue 267 (56) References JP-A-1-244269 (JP, A) JP-A-59-4871 (JP, A) JP-A- 1-312382 (JP, A) JP-A-59-24168 (JP, A)

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 極低温精留方法であって、(A)少なく
とも一つの精留塔を備える主塔システムに酸素、窒素及
びアルゴンを含む供給物を供給する段階と、(B)主塔
システム内においての向流気−液接触により前記供給物
を窒素富化成分と酸素富化成分とに分離する段階と、
(C)前記主塔システムからのアルゴン及び酸素を含む
流体をアルゴン塔に通す段階と、(D)該流体をアルゴ
ン塔内での向流気−液接触によりアルゴン富化成分と酸
素富化成分とに分離する段階と、を包含し、その場合
(E)前記アルゴン塔内での向流気−液接触をアルゴン
塔の下方部分におけるトレーを備える気−液接触要素に
おいてそしてアルゴン塔の残部における充填物を備える
気−液接触要素において実施することを特徴とする極低
温精留方法。
1. A cryogenic rectification process comprising: (A) supplying a feed comprising oxygen, nitrogen and argon to a main column system comprising at least one rectification column, and (B) a main column system. Separating the feed into a nitrogen-enriched component and an oxygen-enriched component by countercurrent gas-liquid contact within the reactor;
(C) passing a fluid containing argon and oxygen from the main column system through the argon column, and (D) countercurrent gas-liquid contacting the fluid in the argon column with an argon-enriched component and an oxygen-enriched component. And (E) countercurrent gas-liquid contacting in said argon column in a gas-liquid contacting element with a tray in the lower part of the argon column and in the remainder of the argon column. Cryogenic rectification method, characterized in that it is carried out in a gas-liquid contact element with packing.
【請求項2】 アルゴン塔下方部分が接触している蒸気
及び液体のアルゴン濃度が25%以下である部分から成
る特許請求の範囲第1項記載の方法。
2. A vapor in which the lower part of the argon column is in contact.
And a part where the liquid has an argon concentration of 25% or less.
The method according to claim 1.
【請求項3】 充填物が組織化された充填物を含む特許
請求の範囲第1項記載の方法。
3. A patent in which the packing comprises a structured packing.
The method according to claim 1.
【請求項4】 極低温精留装置であって、(A)気液接
触要素を有する少なくとも一つの精留塔を備える主塔シ
ステム、(B)下方部分においてトレーを備える気−液
接触要素をそして残部において充填物を備える気−液接
触要素を有するアルゴン塔、及び(C)前記主塔システ
ムから前記アルゴン塔の下方部分内へと流体を提供する
手段を備える極低温精留装置。
4. A cryogenic rectification apparatus comprising (A) gas-liquid contact
A main tower system comprising at least one rectification tower having tactile elements.
Stem, (B) Gas-liquid with tray in lower part
Gas-liquid contact with contact element and filling at the rest
An argon column having a touch element, and (C) the main column system
Fluid from the column into the lower part of the argon column
Cryogenic rectification device comprising means.
【請求項5】 アルゴン塔下方部分がアルゴン塔の高さ
の下方10%を構成する特許請求の範囲第4項記載の装
置。
5. The height of the argon column is the lower part of the argon column.
The device according to claim 4, which constitutes 10% below the
Place
【請求項6】 充填物が組織化された充填物を含む特許
請求の範囲第4項記載の装置。
6. A patent in which the packing comprises a structured packing.
The device according to claim 4.
JP3020387A 1990-01-23 1991-01-22 Cryogenic rectification method and device using hybrid type argon column Expired - Lifetime JPH076736B2 (en)

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DE69100539T2 (en) 1994-02-17
CA2034740C (en) 1995-03-21
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