(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分離壁塔または熱連結型蒸留塔システムのいずれかとして構成された蒸留装置を用いて、未精製アンモニアを連続操作により分留して、低沸点成分の留分、高沸点成分の留分、および中間的な沸点を示す純成分の留分、を得る方法であって、低沸点成分の留分を前記蒸留装置の塔頂部から排出し、中間的な沸点を示す純成分の留分を塔側排出部から採集し、前記蒸留塔内における気体量を、操作圧力が２〜３０ｂａｒの範囲内になり、かつ、Ｆ因子が２．０Ｐａ0.5を超えないように制限することを特徴とする方法。
【請求項２】
操作圧力を１０〜２０ｂａｒの範囲内になるように制限することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
Ｆ因子が１．５Ｐａ0.5を超えないように、制限することを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
中間的な沸点を示す純成分の留分を、飛沫析出器が備え付けられた塔側排出部から採集することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
飛沫析出器がデミスタ充填構造を採っていることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
中間的な沸点を示す純成分の留分の一部を液体として排出し、中間的な沸点を示す純成分の留分の残りの部分を気体として排出することを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
未精製アンモニアが９５．０〜９９．９質量％のアンモニアを含有し、中間的な沸点を示す純成分の留分が、少なくとも９９．９９質量％のアンモニアを含有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
中間的な沸点を示す純成分の留分を液面制御下で排出することを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の方法を実施するための分離壁塔または熱連結型蒸留塔システムのいずれかとして構成された蒸留装置であって、低沸点成分の留分が前記蒸留装置の塔頂部から排出され、中間的な沸点を示す純成分の留分が塔側排出部から採集され、前記蒸留装置内の気体量が、操作圧力が２〜３０ｂａｒの範囲内になり、かつ、Ｆ因子が２．０Ｐａ0.5を超えないように制限されていることを特徴とする蒸留装置。
【請求項１０】
塔側排出部に、飛沫析出器が備え付けられていることを特徴とする、請求項９に記載の蒸留装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、未精製アンモニアを連続操作により分留するための方法および蒸留装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
好適には不純物含有量が３ｐｐｍ以下である、高純度アンモニアに対する工業的な需要は大きい。このような高純度アンモニアは、特に、食料品製造、分析装置の較正、そして特に半導体製造、の分野において必要とされる。ところが、アンモニア合成において製造される未精製アンモニアにおけるアンモニア含有量は、典型的には約９９．０〜９９．５質量％である。典型的な不純物としては、水、オイル、および不活性ガス、特にメタン、水素、窒素およびアルゴンが挙げられる。未精製アンモニアは、上述の用途には使用することができない。
【０００３】
ＷＯ９６／３９２６５は、未精製アンモニアから出発した、高純度アンモニアの分離方法を開示している。この方法では、まず、アンモニアを蒸発させ、続いて複雑な濾過工程によって純化する。この方法は極めて複雑であり、従って、経済的な視点からは、特に比較的大量の高純度アンモニアを製造する場合には、魅力的であるとは言えない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
原則として、高純度アンモニアは、未精製アンモニアから蒸留によって純粋に分離することができる。この場合、アンモニアを、低沸点成分（特に、メタン、水素、窒素およびアルゴン）および高沸点成分（特に、水およびオイル）から分離しなければならない。すなわち、アンモニアは中間的な沸点を示す目的物質である。低沸点不純物および高沸点不純物から中間的な沸点を示す目的物質を蒸留によって分離する方法としては、様々な方法が慣用的になっている。最も単純な方法としては、供給混合物を２つの留分、すなわち、低沸点を示す塔頂留分と高沸点を示す塔底留分に分離する方法である。供給混合物を３つ以上の留分、例えば、低沸点成分、中間沸点成分、および高沸点成分、に分留する場合には、複数の蒸留塔を使用する必要がある。装置費用を制限するために、３成分以上を含む多成分混合物の分留はまた、塔側部から液体または気体を排出するのに好適な塔を使用して行われる。しかしながら、塔側排出部を有する蒸留塔の有用性は、塔側排出部から排出される物質が一般的には完全に純粋ではないと言う事実のために制限されている。蒸留塔の濃縮部に存在する塔側排出部から一般的には液体として排出される生成物は、依然として一般的には塔頂部から排出される低沸点成分を幾分か含んでいる。同様のことは、蒸留塔の回収部に存在する塔側排出部から一般的には気体として排出される生成物についても当てはまり、この場合には、以前として高沸点成分を幾分か含んでいる。このような慣用的な塔側排出部を有する塔を使用する場合には、不純物を含む副産物が、事実上常に得られる。このため、塔側排出部を有する塔を使用することは、純粋な物質の分離のためには、従って純粋なアンモニアの分離のためには、好ましくない。従って、一般的には、特に多成分混合物から中間的な沸点を示す純粋な物質を分離するためには、少なくとも２個の分離した塔を備えた塔集合体を使用することが必要である。しかしながら、未精製アンモニアから高純度アンモニアを分離するためにこのような塔集合体を使用するのは、エネルギー的理由および高額な設備費用のため、経済的な視点から魅力的であるとは言えない。
【０００５】
従って、本発明の目的は、未精製アンモニアから出発して高純度アンモニアを分離することができる方法を提供することである。この方法により得られるアンモニアの純度は、上述の用途に適した純度でなければならず、またこの方法は、実用的で経済的な方法として実施することができる方法でなければならない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、上述の目的は、分離壁塔または熱連結型蒸留塔システムのいずれかとして構成された蒸留装置を用いて、未精製アンモニアを連続操作により分留して、低沸点成分の留分、高沸点成分の留分、および中間的な沸点を示す純成分の留分、を得る方法であって、低沸点成分の留分を前記蒸留装置の塔頂部から排出し、中間的な沸点を示す純成分の留分を塔側排出部から採集し、前記蒸留塔内における気体量を、操作圧力が２〜３０ｂａｒの範囲内になり、かつ、Ｆ因子が２．０Ｐａ0.5を超えないように制限することを特徴とする方法により達成されることを発見した。
【０００７】
Ｆ因子とは、塔内の気流量の尺度であり、従って、この気体の衝撃の尺度でもある（Ｆ因子：気体の総密度の平方根に単位時間あたりの単位長さを乗じた値）。
【０００８】
蒸留装置をＦ因子の値が小さい状態で操作すると、得られる生成物（中間的な沸点を示す純成分の留分）を高純度に保つことができる。Ｆ因子は、気体流速（ｍ／ｓ）と気体密度（ｋｇ／ｍ３）の平方根との積から決定される。
【０００９】
好ましい形態では、中間的な沸点を示す純成分の留分を、飛沫析出器が備え付けられている塔側排出部から採集する。本発明に関する限り、飛沫析出器が備え付けられている塔側排出部とは、液体が全くまたはほとんど塔側排出部を通って飛沫の形態で蒸留装置を離れることがないように、すなわち、蒸留装置の塔側排出部から排出される生成物の“飛沫同伴”が妨げられまたは制限させるように、飛沫析出器が蒸留装置の塔側排出部の上流側に位置しているか、および／または、飛沫析出器が塔側排出部自体の内部に位置していること、を意味する。蒸留装置が複数の塔側排出部を有している場合には、少なくとも１箇所の側部排出部に飛沫析出器を備え付ける。本発明の好ましい形態では、飛沫析出器は、デミスタ充填構造を採っている。
【００１０】
その上、飛沫析出器を備えた塔側排出部を設けることにより、得られる生成物（中間的な沸点を示す純成分の留分）の純度が向上する。
【００１１】
塔頂部から排出する低沸点成分の留分は、一般的には気体として採集する。
【００１２】
本発明の方法により、未精製アンモニアから上述の用途に適した純度のアンモニアを得ることができる。その上、本発明の方法は、工業的に実施することができ、エネルギー費用および設備費用が安価であるため経済的に魅力的である。分離壁塔または熱連結型蒸留塔システムは、上述の蒸留方法に対して効果的な選択肢を提供する。分離壁塔を使用すると、未精製アンモニアから中間的な沸点を示す純成分の留分を分離することができる。分離壁塔において、分離壁は中間域に設置される。分離壁は、供給点の上下に延びている。他方、供給点と反対側には、塔側排出部が設けられている。分離壁は、供給点と塔側排出部の間に位置している。塔内の分離壁で分離された領域では、液流と蒸気流の横混合が起こり得ない。このことにより、未精製アンモニアの分留に必要な蒸留塔の総数が減少する。分離壁塔は、原則として、熱連結型蒸留塔システムを単純化したものであるが、熱連結型蒸留塔システムの方が設備資金を多く要する。通常の蒸留塔の集合体と比較して、分離壁塔および熱連結型蒸留塔システムは、エネルギー効率の面でも設備費用の面でも有効である。分離壁塔および熱連結型蒸留塔システムに関する情報は、ＥＰ−Ａ０１２２３６７、ＥＰ−Ｂ０１２６２８８、およびＥＰ−Ｂ０１３３５１０に挙げられている。
【００１３】
本発明の蒸留装置の操作圧力は、通常１０〜２０ｂａｒの範囲である。Ｆ因子は、一般的には、１．５Ｐａ0.5を超えないように、好ましくは１．０Ｐａ0.5を超えないようにする。本発明の好ましい形態では、中間的な沸点を示す純成分の留分の一部は液体として排出し、中間的な沸点を示す純成分の留分の残りの部分は気体として排出する。気体として排出された中間的な沸点を示す純成分の留分は、特にイオンの含有量が低い。未精製アンモニアは、通常９７．０〜９９．９質量％、好ましくは９９．０〜９９．７質量％のアンモニアを含有し、中間的な沸点を示す純成分の留分は、一般的に少なくとも９９．９９質量％、好ましくは少なくとも９９．９９９質量％のアンモニアを含有する。中間的な沸点を示す純成分の留分は、一般的には制御パラメーターとして好ましくは塔底部の液面を使用した面制御下で排出する。
【００１４】
その上、本発明は、上述の方法を実施するための分離壁塔または熱連結型蒸留塔システムのいずれかとして構成された蒸留装置であって、低沸点成分の留分が前記蒸留装置の塔頂部から排出され、中間的な沸点を示す純成分の留分が塔側排出部から採集され、前記蒸留塔内の気体量が、操作圧力が２〜３０ｂａｒの範囲内になり、かつ、Ｆ因子が２．０Ｐａ0.5を超えないように制限されていることを特徴とする蒸留装置を提供する。
【００１５】
好ましい形態では、塔側排出部には飛沫析出器が備え付けられている。塔頂部から採集する低沸点成分の留分は、一般的には気体として排出される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１〜図４は、多成分混合物である未精製アンモニアの分留の様子を示している。各図において、１は低沸点成分を、２は中間的な沸点を示す純成分の留分（すなわち、高純度アンモニア）に対応する中間的な沸点を示す成分を、３は高沸点成分を、それぞれ示している。分離壁塔または熱連結型蒸留塔システムは、供給部１２、１４、排出部１３、１５、塔上部域１１、および塔下部域１６を有している。
【００１７】
上述のように、高純度アンモニアは、塔側排出部を通して、液体および気体両方の形態で分離することができる。高純度アンモニアを液体として排出した場合には、低沸点成分１の濃度が特に低いアンモニアが得られる。この場合は、特に高純度の液体アンモニアを製造することができる。アンモニアを気体として排出した場合には、痕跡量の金属イオンが気体生成物中に入り込むのを防止することができる。
【００１８】
分離壁塔を使用した場合でも熱連結型蒸留塔システムを使用した場合でも、供給流を予備蒸発させた後、２相（液相と気相）の形態で、または２つの流（一方が気流で他方が液流）の形態で、塔中に供給流を導入するのが好ましい。従って、供給流は部分的にまたは完全に予備蒸発させることができる。このような予備蒸発は、供給流が比較的多量の低沸点成分１を含有している場合に特に有効である。
【００１９】
蒸留装置の底部に、高沸点成分、特に水およびオイル、がわずかなアンモニアと共に分離する。排出される底部生成物は、通常分離器中で減圧にしてアンモニアを除去する。
【００２０】
分離壁塔および熱連結型蒸留塔システムは、不規則充填構造または規則充填構造の充填塔またはトレイ塔のいずれかとして構成することができる。本発明の方法では、１．２ｍより大きな直径を有する塔の場合には、価格的な理由から、トレイ、好ましくはバルブトレイまたはシーブトレイを使用するのが賢明である。このように組上げられた塔には、デミスタまたは他の飛沫析出器を塔側排出部以下の領域に備え付けるのが好ましい。分離壁塔を使用する場合には、トレイは、一般的には約２ｍ以上の塔直径の場合のみ好適である。充填塔を使用する場合には、３００〜８００ｍ２／ｍ３、このましくは５００〜７５０ｍ２／ｍ３の比表面積を有する規則メッシュ充填構造が、特に有用である。これらの塔の場合にも、デミスタまたは他の飛沫析出器を塔側排出部域に備え付けるのが好ましい。
【００２１】
塔内の分離壁に隣接する領域に位置するトレイは、分離壁がトレイの対応する流入軸と流下軸に対して約９０°の角度を形成するように、配置するのが好ましい。このような配置は、分離壁をトレイの強化のために使用できるという長所を有し、トレイを支持するために備え付けられる支持体をより軽量にすることができる。支持体は通常、塔があまりに早く溢れかえるのを避けるために分離壁に平衡に配置する。
【００２２】
総理論段数は、一般的には約２０〜６０の範囲であり、２５〜３０の範囲であるのが好ましい。
【００２３】
蒸留装置の塔上部域１１は、この蒸留装置の総理論段数の一般的には５〜３０％、好ましくは１０〜２５％を占める。一方、供給部１２、１４のうちの濃縮部１２は、５〜５０％、好ましくは２５〜４０％を占め、供給部１２、１４のうちの回収部１４は、５〜５０％、好ましくは２５〜４０％を占め、排出部１３、１５のうちの回収部１５は、５〜５０％、好ましくは２５〜４０％を占め、排出部１３、１５のうちの濃縮部１３は、５〜５０％、好ましくは２５〜４０％を占め、塔下部域１６は、総理論段数の５〜３０％、好ましくは１０〜２５％を占める。供給部１２、１４のうちの区域１２および１４の理論段数の合計は、排出部１３、１５のうちの区域１３および１５の理論段数の合計に対して、通常は８０〜１２０％、好ましくは９０〜１１０％である。
【００２４】
本発明の好ましい形態では、分離壁塔は、分離壁の上部末端および下部末端にサンプリング設備を有する。このサンプリング設備により、液体サンプルまたは気体サンプルを塔から連続的にまたは一定間隔ごとに採集することができ、サンプルの組成を分析することができる。
【００２５】
分離壁塔および熱連結型蒸留塔システムを制御するための様々な制御方法が一般的に開示されている。例えば、ＵＳ−Ａ４２３０５３３、ＤＥ−Ｃ３５２２２３４、ＥＰ−Ａ０７８０１４７および“Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ”，２（１９９３），３３−３４にこれらの方法の説明が記載されている。
【００２６】
上述の開示された方法とは異なる制御概念が、本発明の方法を制御するために特に有用であることがわかっている。その概念とは、特に、本発明の蒸留装置内の全領域における圧力と温度とをほんのわずかだけ変化させるようにするという概念である。この制御概念の主要点は、以下の点である。
−設定パラメーターとして蒸留装置の塔頂部に位置する対応する凝縮器に送り込む冷却水の量を利用した、塔頂部から排出する留分に対する流量制御（塔頂部から排出される留分の流量が制御される）；
−設定パラメーターとして底部から排出される留分の量を利用した、塔下部域１６における温度制御；従って、底部生成物は温度制御下で排出され、使用される制御温度は、塔下部域１６内または底部のいずれかにある測定点で記録される温度である；
−設定パラメーターとして側部から排出される量を利用した、塔の底部における面制御；
−設定パラメーターとして蒸留装置の底部蒸発器の加熱蒸気量または加熱蒸気圧力を利用した、塔内の差圧の制御。
【００２７】
一般的には、液体は、ポンプによって、または流量制御下少なくとも約１ｍの高さを有する静止型供給物によって、供給域１２、１４に運搬される。制御は、供給域への液体供給量が“正常値”の３０％以下に低下しないように行うのが好ましい（本発明に関する限り、“正常値”とは、対応する連続法における特定点での単位時間あたりの量の時間平均値を意味する）。排出部１３、１５における区域１３から液体塔側排出部へ流下する液体と排出部１３、１５における区域１５へ流下する液体の分離は、区域１５内に流入する液体の量が“正常値”の３０％以下に低下しないように制御計を使用して設定するのが好ましい。
【００２８】
多成分混合物を、低沸点成分の留分、中間沸点成分の留分、および高沸点成分の留分に分離する際には、一般的に、中間沸点成分の留分内における低沸点成分１および高沸点成分３の許容割合について規制がある。この場合には、キー成分と言われる個々の主要成分を規制するか、または複数のキー成分の合計を規制するかのいずれかが可能である。中間沸点成分の留分（すなわち、中間的な沸点を示す純成分の留分）における高沸点成分３に対する規制は、分離壁の上部末端における液体の分離比を通して制御するのが好ましい。
【００２９】
一般的には、塔上部域１１から流下する液体は、塔内または塔外に位置する採集領域に集められ、それから分離壁の上部末端における制御設定または固定値設定により、排出部１３、１５に流れ込む液体量に対する供給部１２、１４へ流れ込む液体量の割合が０．１〜１．０、好ましくは０．６〜０．９の範囲になるように、目的の方向に分離される。蒸気の量は、一般的には、分離壁の下部末端で、分離インターナルの選択および／または例えばオリフィス板のような圧力降下を起こすインターナルの付加配置により、排出部１３、１５に流れ込む蒸気量に対する供給部１２、１４に流れ込む蒸気量の割合が０．８〜１．２、好ましくは０．９〜１．１になるように設定される。
【００３０】
中間的な沸点を示す純成分の留分における低沸点成分に対する規制は、熱源によって制御するのが好ましい。
【００３１】
分離壁の上部末端および塔側排出部で液体を分離し排出する場合には、液体の内部採集領域および塔外に位置する採集領域の双方ともが好適であり、これらは、ポンプ貯蔵器の役割を果たす。トレイ塔の場合には、流下軸を一般的な高さの約２〜３倍に増やし、流下軸に適当な液量を貯蔵することによって、このことを達成するのが特に有効である。充填塔を使用する場合には、液体をまず採集器に採集し、そこから内部採集領域または外部採集領域に運搬する。１０ｍ３／ｈまでの比較的わずかな液体通過量である場合には、旋回漏斗が安価な代替物となる。
【００３２】
本発明によると、熱的に連結した２本の蒸留塔が接続した集合体、すなわち熱連結型蒸留塔システム、を分離壁塔の代わりに使用することもできる。一般的には、熱連結型蒸留塔システムの２本の蒸留搭の両方に、それぞれの蒸発器および凝縮器を備え付けてもよい。適当な蒸留塔を使用することにより、熱連結型蒸留塔システムは、分離壁塔の好適な代替物となりうる。個々の蒸留塔間をもっぱら液体からなる流として接続することが可能となるような接続形態を選択することが有用である。特別な配置を採ることにより、２個の蒸留塔を加熱媒体および冷却媒体の温度値により簡単に一致させることが可能であると言う長所と共に、２個の蒸留塔を異なる圧力下で操作することが可能であるという長所が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】分離壁塔の略図である。
【図２】熱連結型蒸留塔システムの略図である。
【図３】別の形態の、熱連結型蒸留塔システムの略図である。
【図４】さらに別の形態の、熱連結型蒸留塔システムの略図である。
【符号の説明】
１      低沸点成分
２      中間的な沸点を示す成分
３      高沸点成分
１１    塔上部域
１２    供給部
１３    排出部
１４    供給部
１５    排出部
１６    塔下部域
【図１】
0004749558.tif 000002
【図２】
0004749558.tif 000003
【図３】
0004749558.tif 000004
【図４】
0004749558.tif 000005