JP2012214325A - Ammonia purifying system and method for purifying ammonia - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、粗アンモニアを精製するアンモニア精製システムおよびアンモニアの精製方法に関する。 The present invention relates to an ammonia purification system for purifying crude ammonia and a method for purifying ammonia.
半導体製造工程および液晶製造工程においては、窒化物皮膜の作製等に用いる処理剤として、高純度のアンモニアが利用されている。このような高純度のアンモニアは、粗アンモニアを精製して不純物を除去することにより得られる。 In a semiconductor manufacturing process and a liquid crystal manufacturing process, high-purity ammonia is used as a processing agent used for producing a nitride film. Such high-purity ammonia can be obtained by purifying crude ammonia to remove impurities.
粗アンモニア中には、水素、窒素、酸素、アルゴン、一酸化窒素、二酸化炭素等の低沸点ガス、炭化水素、水分等が不純物として含まれており、一般的に入手可能な粗アンモニアの純度は98〜99重量%程度である。 The crude ammonia contains hydrogen, nitrogen, oxygen, argon, nitrogen monoxide, carbon dioxide and other low-boiling gases, hydrocarbons, moisture, etc. as impurities, and the purity of generally available crude ammonia is It is about 98 to 99% by weight.
粗アンモニア中に含まれる炭化水素としては、一般的には炭素数1〜4のものが主であるが、アンモニアの合成原料として用いる水素ガスの製造時に、クラッキングガス中の油分の分離が不十分であったり、あるいは、製造時にポンプ類からのポンプ油による油汚染を受けたりと、沸点の高い分子量の大きな炭化水素が混入することもある。また、アンモニア中に水分が多く含まれると、このアンモニアを用いて製造される半導体等の機能を大きく低下させる場合があり、アンモニア中の水分は極力減らす必要がある。 Generally, hydrocarbons contained in crude ammonia are mainly those having 1 to 4 carbon atoms. However, when producing hydrogen gas used as a raw material for ammonia synthesis, the oil content in the cracking gas is insufficiently separated. Or, when the oil is contaminated with pump oil from pumps during production, hydrocarbons having a high boiling point and a large molecular weight may be mixed. Moreover, if ammonia contains a large amount of moisture, the function of a semiconductor or the like manufactured using this ammonia may be greatly reduced, and the moisture in ammonia needs to be reduced as much as possible.
半導体製造工程および液晶製造工程におけるアンモニアが用いられる工程の種類によって、アンモニア中の不純物の影響の仕方は異なるが、アンモニアの純度としては、99.9999重量%以上(各不純物濃度100ppb以下)、より好ましくは99.99999重量%程度であることが求められる。近年窒化ガリウムのような発光体製造用には水分濃度が30ppb未満であることが求められている。 Depending on the type of process in which ammonia is used in the semiconductor manufacturing process and the liquid crystal manufacturing process, the effect of impurities in ammonia varies, but the purity of ammonia is 99.9999% by weight or more (each impurity concentration is 100 ppb or less). Preferably, it is required to be about 99.99999% by weight. In recent years, a moisture concentration of less than 30 ppb has been demanded for the production of a light emitter such as gallium nitride.
粗アンモニア中に含まれる不純物を除去する方法としては、シリカゲル、合成ゼオライト、活性炭等の吸着剤を用いて不純物を吸着除去する方法、不純物を蒸留除去する方法が知られている。 As a method for removing impurities contained in crude ammonia, a method for adsorbing and removing impurities using an adsorbent such as silica gel, synthetic zeolite and activated carbon, and a method for removing impurities by distillation are known.
例えば、特許文献1には、液体状の粗アンモニアから揮発性の低い不純物を除去する第1蒸留塔と、第1蒸留塔から導出された気体状のアンモニアに含まれる不純物(主に水分)を吸着剤により吸着除去する吸着塔と、吸着塔から導出された気体状のアンモニアから揮発性の高い不純物を除去する第2蒸留塔とを備えるアンモニア精製システムが開示されている。また、特許文献2には、気体状の粗アンモニアに含まれる水分を酸化バリウムからなる吸着剤で吸着除去した後、蒸留することによってアンモニアを精製する方法が開示されている。
For example,
粗アンモニアに含まれる不純物を吸着除去する吸着剤としては、水分に対して高い吸着能を有する吸着剤と、炭化水素に対して高い吸着能を有する吸着剤とを、区別して用いるのが一般的であり、特許文献1に開示されるアンモニアを精製する技術では、合成ゼオライト3Aからなる吸着剤により水分を吸着除去し、特許文献2に開示されるアンモニアを精製する技術では、酸化バリウムからなる吸着剤により水分を吸着除去している。
As an adsorbent that adsorbs and removes impurities contained in crude ammonia, it is common to distinguish between adsorbents that have a high adsorption capacity for moisture and adsorbents that have a high adsorption capacity for hydrocarbons. In the technology for purifying ammonia disclosed in
粗アンモニアに含まれる水分および炭化水素の不純物を吸着除去するためには、水分に対して高い吸着能を有する吸着剤が充填された吸着塔と、炭化水素に対して高い吸着能を有する吸着剤が充填された吸着塔との、複数の吸着塔を備える構成とするか、または、1つの吸着塔に複数の吸着剤を積層して充填する構成とする必要がある。 In order to adsorb and remove moisture and hydrocarbon impurities contained in crude ammonia, an adsorption tower packed with an adsorbent having a high adsorption capacity for moisture and an adsorbent having a high adsorption capacity for hydrocarbons It is necessary to make it the structure provided with a plurality of adsorption towers with the adsorption tower filled with or a structure where a plurality of adsorbents are stacked and packed in one adsorption tower.
1つの吸着塔に複数の吸着剤を積層した場合、粗アンモニアに不純物として含まれる水分と炭化水素との量比が変動したときには、一方の吸着剤が吸着飽和に達していないときであっても、他方の吸着剤が吸着飽和に達して破過する現象が生じる。そのため、吸着剤の吸着能を最大限に利用して、粗アンモニアに含まれる水分および炭化水素を効率的に吸着除去することができず、さらには、吸着剤の破過の管理も複雑になってしまう。 When a plurality of adsorbents are stacked in one adsorption tower, when the amount ratio of moisture and hydrocarbons contained as impurities in the crude ammonia varies, even if one adsorbent has not reached adsorption saturation The other adsorbent reaches adsorption saturation and breaks through. For this reason, it is not possible to efficiently absorb and remove moisture and hydrocarbons contained in the crude ammonia by making maximum use of the adsorption capacity of the adsorbent, and the management of adsorbent breakthrough becomes complicated. End up.
したがって本発明の目的は、粗アンモニアに不純物として含まれる水分および炭化水素を、吸着剤の吸着能を最大限に利用して効率よく吸着除去することができるとともに、簡単化された方法でアンモニアを精製することができるアンモニア精製システム、およびアンモニアの精製方法を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to efficiently remove moisture and hydrocarbons contained as impurities in crude ammonia by making maximum use of the adsorption capacity of the adsorbent and to remove ammonia by a simplified method. To provide an ammonia purification system that can be purified, and a method for purifying ammonia.
本発明は、粗アンモニアを精製するアンモニア精製システムであって、
気相を形成するように液体状の粗アンモニアを貯留し、揮発性の低い不純物の多くを液相に残して、前記気相の一部を気体状のアンモニアとして導出する貯留手段と、
前記貯留手段から導出された気体状のアンモニアの一部を凝縮し、液体状のアンモニアを導出する凝縮手段と、
前記凝縮手段から導出された液体状のアンモニアに含有される不純物を、水分および炭化水素に対する吸着能を単独で有する吸着剤により吸着除去し、精製された液体状のアンモニアを得る吸着手段と、を含むことを特徴とするアンモニア精製システムである。
The present invention is an ammonia purification system for purifying crude ammonia,
Storage means for storing liquid crude ammonia so as to form a gas phase, leaving most of low-volatile impurities in the liquid phase, and deriving a part of the gas phase as gaseous ammonia;
Condensing means for condensing a part of the gaseous ammonia derived from the storage means and deriving liquid ammonia;
An adsorbing means for adsorbing and removing impurities contained in liquid ammonia derived from the condensing means by an adsorbent having adsorption ability for moisture and hydrocarbons alone to obtain purified liquid ammonia; It is an ammonia purification system characterized by including.
また本発明のアンモニア精製システムにおいて、前記吸着手段は、前記凝縮手段から導出された液体状のアンモニアに含有される不純物を吸着除去する複数の吸着塔であって、直列接続される複数の吸着塔を有することを特徴とする。 Further, in the ammonia purification system of the present invention, the adsorption means is a plurality of adsorption towers that adsorb and remove impurities contained in liquid ammonia derived from the condensation means, and a plurality of adsorption towers connected in series. It is characterized by having.
また本発明のアンモニア精製システムにおいて、前記吸着剤は、多孔質の合成ゼオライトであることを特徴とする。 In the ammonia purification system of the present invention, the adsorbent is a porous synthetic zeolite.
また本発明のアンモニア精製システムにおいて、前記合成ゼオライトは、MS−13Xであることを特徴とする。 In the ammonia purification system of the present invention, the synthetic zeolite is MS-13X.
また本発明は、粗アンモニアを精製する方法であって、
気相を形成するように液体状の粗アンモニアを貯留し、揮発性の低い不純物の多くを液相に残して、前記気相の一部を気体状のアンモニアとして導出する貯留工程と、
前記貯留工程で導出された気体状のアンモニアの一部を凝縮し、液体状のアンモニアを導出する凝縮工程と、
前記凝縮工程で導出された液体状のアンモニアに含有される不純物を、水分および炭化水素に対する吸着能を単独で有する吸着剤により吸着除去し、精製された液体状のアンモニアを得る吸着工程と、を含むことを特徴とするアンモニアの精製方法である。
The present invention also provides a method for purifying crude ammonia,
A storage step of storing liquid crude ammonia so as to form a gas phase, leaving most of low-volatile impurities in the liquid phase, and deriving a part of the gas phase as gaseous ammonia;
A condensation step of condensing part of the gaseous ammonia derived in the storage step and deriving liquid ammonia;
An adsorption step for obtaining and purifying purified liquid ammonia by adsorbing and removing impurities contained in the liquid ammonia derived in the condensation step by an adsorbent having adsorption ability for moisture and hydrocarbons alone. It is the purification method of ammonia characterized by including.
本発明によれば、アンモニア精製システムは、不純物が含まれる粗アンモニアを精製するシステムであって、貯留手段と、凝縮手段と、吸着手段とを含む。貯留手段は、気相を形成するように液体状の粗アンモニアを貯留し、揮発性の低い不純物の多くを液相に残して、気相の一部を気体状のアンモニアとして導出する。凝縮手段は、貯留手段から導出された気体状のアンモニアの一部を凝縮し、液体状のアンモニアを導出する。そして、吸着手段は、凝縮手段から導出された液体状のアンモニアに含有される不純物を、水分および炭化水素に対する吸着能を単独で有する吸着剤により吸着除去し、精製された液体状のアンモニアを得る。 According to the present invention, the ammonia purification system is a system for purifying crude ammonia containing impurities, and includes a storage means, a condensation means, and an adsorption means. The storage means stores liquid crude ammonia so as to form a gas phase, leaves most of the low-volatile impurities in the liquid phase, and derives part of the gas phase as gaseous ammonia. The condensing unit condenses part of the gaseous ammonia derived from the storage unit, and derives liquid ammonia. Then, the adsorbing means adsorbs and removes impurities contained in the liquid ammonia derived from the condensing means by an adsorbent having an adsorption ability for moisture and hydrocarbons alone to obtain purified liquid ammonia. .
本発明のアンモニア精製システムでは、凝縮手段は、気体状のアンモニアの一部を凝縮するので、貯留手段から導出されたアンモニア中に含有される揮発性の高い不純物が気相成分として分離除去された液体状のアンモニアを導出することができる。そして、吸着手段は、水分および炭化水素に対する吸着能を単独で有する吸着剤により、凝縮手段から導出された液体状のアンモニアに含有される不純物を吸着除去するので、従来技術のように、水分に対する吸着能を有する吸着剤と、炭化水素に対する吸着能を有する吸着剤との、複数の吸着剤を用いる必要がない。そのため、液体状のアンモニアに不純物として含まれる水分および炭化水素を、吸着剤の吸着能を最大限に利用して効率よく吸着除去することができるとともに、吸着剤の破過の管理も簡単化することができる。 In the ammonia purification system of the present invention, the condensing means condenses a part of gaseous ammonia, so that highly volatile impurities contained in the ammonia derived from the storage means are separated and removed as gas phase components. Liquid ammonia can be derived. The adsorbing means adsorbs and removes the impurities contained in the liquid ammonia derived from the condensing means by the adsorbent having the ability to adsorb moisture and hydrocarbons alone. It is not necessary to use a plurality of adsorbents of an adsorbent having an adsorbing ability and an adsorbent having an adsorbing ability for hydrocarbons. Therefore, moisture and hydrocarbons contained in liquid ammonia as impurities can be efficiently adsorbed and removed by making full use of the adsorption capacity of the adsorbent, and the management of adsorbent breakthrough is simplified. be able to.
また本発明によれば、吸着手段は、直列接続される複数の吸着部を有する。吸着手段が直列接続される複数の吸着部を有することによって、凝縮手段から導出された液体状のアンモニアに含まれる不純物に対する吸着除去能力を向上することができる。 According to the invention, the suction means has a plurality of suction portions connected in series. By having a plurality of adsorbing sections connected in series with the adsorbing means, it is possible to improve the adsorbing and removing ability for impurities contained in the liquid ammonia derived from the condensing means.
また本発明によれば、吸着手段で用いられる吸着剤が、多孔質の合成ゼオライトである。これによって、凝縮手段から導出された液体状のアンモニアに不純物として含まれる水分および炭化水素を、効率よく吸着除去することができる。 According to the present invention, the adsorbent used in the adsorbing means is a porous synthetic zeolite. Thus, moisture and hydrocarbons contained as impurities in the liquid ammonia derived from the condensing means can be efficiently adsorbed and removed.
また本発明によれば、吸着剤として用いる合成ゼオライトが、MS−13Xである。これによって、凝縮手段から導出された液体状のアンモニアに不純物として含まれる水分および炭化水素(特にブタン、ペンタン、ヘキサン等の高次炭化水素)を、効率よく吸着除去することができる。 According to the present invention, the synthetic zeolite used as the adsorbent is MS-13X. This makes it possible to efficiently adsorb and remove moisture and hydrocarbons (particularly higher-order hydrocarbons such as butane, pentane and hexane) contained as impurities in the liquid ammonia derived from the condensing means.
また本発明によれば、アンモニアの精製方法は、不純物が含まれる粗アンモニアを精製する方法であって、貯留工程と、凝縮工程と、吸着工程とを含む。貯留工程では、気相を形成するように液体状の粗アンモニアを貯留し、揮発性の低い不純物の多くを液相に残して、気相の一部を気体状のアンモニアとして導出する。凝縮工程では、貯留工程で導出された気体状のアンモニアの一部を凝縮し、液体状のアンモニアを導出する。そして、吸着工程では、凝縮工程で導出された液体状のアンモニアに含有される不純物を、水分および炭化水素に対する吸着能を単独で有する吸着剤により吸着除去し、精製された液体状のアンモニアを得る。 According to the present invention, the ammonia purification method is a method for purifying crude ammonia containing impurities, and includes a storage step, a condensation step, and an adsorption step. In the storage step, liquid crude ammonia is stored so as to form a gas phase, and most of low-volatile impurities are left in the liquid phase, and a part of the gas phase is derived as gaseous ammonia. In the condensation step, a part of the gaseous ammonia derived in the storage step is condensed to derive liquid ammonia. In the adsorption step, the impurities contained in the liquid ammonia derived in the condensation step are adsorbed and removed by an adsorbent having an adsorption ability for moisture and hydrocarbons alone to obtain purified liquid ammonia. .
本発明のアンモニアの精製方法において、凝縮工程では、気体状のアンモニアの一部を凝縮するので、貯留工程で導出されたアンモニア中に含有される揮発性の高い不純物が気相成分として分離除去された液体状のアンモニアを導出することができる。そして、吸着工程では、水分および炭化水素に対する吸着能を単独で有する吸着剤により、凝縮工程で導出された液体状のアンモニアに含有される不純物を吸着除去するので、従来技術のように、水分に対する吸着能を有する吸着剤と、炭化水素に対する吸着能を有する吸着剤との、複数の吸着剤を用いる必要がない。そのため、液体状のアンモニアに不純物として含まれる水分および炭化水素を、吸着剤の吸着能を最大限に利用して効率よく吸着除去することができるとともに、吸着剤の破過の管理も簡単化することができる。 In the ammonia purification method of the present invention, in the condensation step, a part of gaseous ammonia is condensed, so that highly volatile impurities contained in the ammonia derived in the storage step are separated and removed as gas phase components. Liquid ammonia can be derived. In the adsorption process, the impurities contained in the liquid ammonia derived in the condensation process are adsorbed and removed by the adsorbent having adsorption ability for water and hydrocarbons alone. It is not necessary to use a plurality of adsorbents of an adsorbent having an adsorbing ability and an adsorbent having an adsorbing ability for hydrocarbons. Therefore, moisture and hydrocarbons contained in liquid ammonia as impurities can be efficiently adsorbed and removed by making full use of the adsorption capacity of the adsorbent, and the management of adsorbent breakthrough is simplified. be able to.
図1は、本発明の第1実施形態に係るアンモニア精製システム100の構成を示す図である。本実施形態のアンモニア精製システム100は、不純物が含まれる液体状の粗アンモニアを精製するシステムである。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an
アンモニア精製システム100は、貯留手段である原料貯留タンク1と、凝縮手段であるコンデンサ2または蒸留塔5と、吸着手段3と、分析手段4と、製品タンク6とを含んで構成される。また、アンモニア精製システム100は、本発明に係るアンモニアの精製方法を実現し、原料貯留タンク1で貯留工程を実行し、コンデンサ2または蒸留塔5で凝縮工程を実行し、吸着手段3で吸着工程を実行する。
The
原料貯留タンク1は、粗アンモニアを貯留するものである。本実施形態において、原料貯留タンク1に貯留される粗アンモニアは、純度99重量%以上、好ましくは純度99.0〜99.9重量%である。
The raw
原料貯留タンク1は、耐圧性および耐腐食性を有する保温容器であれば特に制限されるものではない。この原料貯留タンク1は、粗アンモニアを液体状のアンモニアとして貯留し、温度および圧力が一定条件となるように制御されている。原料貯留タンク1が液体状の粗アンモニアを貯留した状態で、原料貯留タンク1の上部には気相が形成され、下部には液相が形成されている。本実施形態では、原料貯留タンク1からコンデンサ2または蒸留塔5にアンモニアを導出する際には、アンモニアを、揮発性の低い不純物(例えば、水分、炭素数9以上の炭化水素)の多くを液相に残して、前記気相から気体状のアンモニアとして導出する。
The raw
原料貯留タンク1とコンデンサ2との間には第1配管81が接続されており、原料貯留タンク1から導出された気体状のアンモニアは、第1配管81を流過してコンデンサ2に供給される。
A
第1配管81には、第1配管81における流路を開放または閉鎖する第1バルブ811と開閉バルブ812とが設けられている。気体状のアンモニアのコンデンサ2への供給時には、第1バルブ811と開閉バルブ812とが開放され、後述の開閉バルブ811aが閉鎖されることによって、原料貯留タンク1からコンデンサ2に向けて第1配管81内を気体状のアンモニアが流過する。なお、第1配管81において、第1バルブ811は、開閉バルブ812よりも原料貯留タンク1側に設けられている。
The
また、第1配管81には、第1バルブ811と開閉バルブ812との間において第1配管81から分岐する分岐配管81aが接続されており、この分岐配管81aには、分岐配管81aにおける流路を開放または閉鎖する開閉バルブ811aが設けられている。
The
分岐配管81aは、蒸留塔5の中央空間部53に接続されている。原料貯留タンク1から導出された気体状のアンモニアの蒸留塔5への供給時には、第1バルブ811と開閉バルブ811aとが開放され、開閉バルブ812が閉鎖されることによって、原料貯留タンク1から蒸留塔5に向けて第1配管81および分岐配管81aを気体状のアンモニアが流過する。
The
また、原料貯留タンク1には、原料貯留タンク1と外部とを連通し、気相に分配された揮発性の高い不純物(例えば、水素、窒素、酸素、アルゴン、一酸化炭素、二酸化炭素、および炭素数1〜8の炭化水素)を外部に排出するための流路となる排気配管81bが接続されている。この排気配管81bには、排気配管81bにおける流路を開放または閉鎖する排気バルブ811bが設けられている。本実施形態のアンモニア精製システム100は、第1バルブ811を閉鎖させた状態で、排気バルブ811bを開放させることで、原料貯留タンク1内に貯留される粗アンモニアから揮発性の高い不純物を排出除去する排出動作が実施できるように構成されている。
The raw
具体的には、液体状の粗アンモニアを原料貯留タンク1に0.5〜3日間貯留した後、第1バルブ811を閉鎖させた状態で、排気バルブ811bを10〜300分間開放させる。これによって、原料貯留タンク1に形成された気相に分配された粗アンモニア中の揮発性の高い不純物を、排気配管81bを介して排出することができる。
Specifically, after liquid crude ammonia is stored in the raw
第1バルブ811と開閉バルブ812とが開放され、開閉バルブ811aが閉鎖されることによって第1配管81内を流過する気体状のアンモニアは、コンデンサ2に導入される。
When the
ここで、本実施形態のアンモニア精製システム100における凝縮手段としてのコンデンサ2による気体状のアンモニアの凝縮について説明する。
Here, the condensation of gaseous ammonia by the
コンデンサ2は、原料貯留タンク1から導出された気体状のアンモニアを分縮して気相成分と液相成分とに分離することで、アンモニア中に含有される揮発性の高い不純物を気相成分として分離除去する。
工業的に製造されるアンモニア(粗アンモニア)中に含有される不純物は、その種類を大きく分類すると、一般的に、水素、窒素、酸素、アルゴン、一酸化炭素および二酸化炭素等の溶存低沸点ガス、炭化水素類、水分等である。粗アンモニア中に含有される炭化水素としては、最も多く含有されているのはメタンであるが、その他にエタン、プロパン、エチレンおよびプロピレン等がそれに次いで多く含有されている。炭素数でいうと炭素数1〜3の炭化水素が炭化水素類の主成分を構成することになる。 Impurities contained in industrially produced ammonia (crude ammonia) can be broadly classified into dissolved low boiling point gases such as hydrogen, nitrogen, oxygen, argon, carbon monoxide and carbon dioxide. , Hydrocarbons, moisture and the like. As the hydrocarbons contained in the crude ammonia, methane is the most abundant, but ethane, propane, ethylene, propylene, etc. are the second most abundant. In terms of carbon number, hydrocarbons having 1 to 3 carbon atoms constitute the main component of hydrocarbons.
しかしながら、粗アンモニア中には、その含有量は少ないものの、炭素数4以上の炭化水素、多くの場合は炭素数4〜6の炭化水素が、含有されている。また、工業的に製造されたアンモニアガスを液化する時には、その圧縮のためにオイルポンプ等が使用されている。このような場合には、オイルポンプ等から混入してくるポンプ油に由来する油分等の、大きな分子量を有する炭化水素が、粗アンモニア中に含有される。 However, the crude ammonia contains hydrocarbons having 4 or more carbon atoms, and in many cases hydrocarbons having 4 to 6 carbon atoms, although the content thereof is small. In addition, when liquefying industrially produced ammonia gas, an oil pump or the like is used for compression. In such a case, hydrocarbons having a large molecular weight such as oil components derived from pump oil mixed from an oil pump or the like are contained in the crude ammonia.
これらの不純物を構成する、炭素数が広範囲にわたる炭化水素類を除去できるアンモニアの精製システムとすることが、電子産業向けのアンモニアを製造するためには必須となってくる。 An ammonia refining system capable of removing hydrocarbons having a wide range of carbon atoms constituting these impurities is essential for producing ammonia for the electronic industry.
表1にはアンモニア、および炭素数1〜8の飽和n−炭化水素の沸点を示したが、炭素数4〜8の炭化水素は、その炭化水素が純物質として存在する場合にはアンモニアより沸点が高いにもかかわらず、精留操作では揮発性の高い化合物として蒸留塔の塔頂部より排出されてくる。 Table 1 shows the boiling points of ammonia and saturated n-hydrocarbons having 1 to 8 carbon atoms, but hydrocarbons having 4 to 8 carbon atoms have boiling points higher than that of ammonia when the hydrocarbons exist as pure substances. However, in the rectification operation, it is discharged from the top of the distillation column as a highly volatile compound.
この理由は定かではないが、本発明者らはこの理由として次のように推測している。すなわち、炭素数1〜8の炭化水素の沸点は、例えば炭素数3のプロパンの沸点を例にとると、プロパンを容器に入れて温度を変化させていったときに、その容器中の圧力が1気圧(0.1013MPa)となるときの温度である。このときのプロパンの状態は、隣り合うプロパン分子同士がファンデルワールス力等により互いに引っ張りあっている状態であり、その引っ張り合う力が強いと沸点が高く現れることになる。しかしながら、今問題にしているような、アンモニア中に存在するプロパンの濃度が非常に低い状況においては、プロパン分子の隣には引っ張り合うことができるプロパン分子や、あるいは他の炭化水素分子が存在せず、ちょうど液体状のアンモニアの海の中にプロパン分子がただ一つ漂っている状態となっている。 Although this reason is not certain, the present inventors presume as this reason as follows. That is, when the boiling point of a hydrocarbon having 1 to 8 carbon atoms is, for example, the boiling point of propane having 3 carbon atoms, when the temperature is changed by putting propane into the container, the pressure in the container is This is the temperature at 1 atm (0.1013 MPa). The state of propane at this time is a state in which adjacent propane molecules are pulled with each other by van der Waals force or the like, and when the pulling force is strong, the boiling point appears high. However, in the situation where the concentration of propane present in ammonia is very low, which is now a problem, there is no propane molecule or other hydrocarbon molecule that can be attracted next to the propane molecule. In fact, there is just one propane molecule floating in the liquid ammonia sea.
一般的に、炭化水素分子同士やアンモニア分子同士のように、似た性質を持つ者同士の間には大きな分子間力が生まれるが、プロパン分子とアンモニア分子のように性質の大きく異なる分子同士の間に生まれる分子間力は小さなものである。この様に、アンモニア中に炭化水素不純物が極微量に存在する状況下においては、従来の蒸留の概念はもはや無意味となる。液体状のアンモニアでは、アンモニア分子同士は互いに引っ張り合いの力を及ぼし合っているが、一方、純物質としてはアンモニアより沸点の高い炭素数4〜8の炭化水素であろうとも、それらはアンモニア分子との相互作用が小さいために、液体状のアンモニア中ではアンモニアよりも沸点の低い化合物として振舞ったとしてもなんら不思議ではない。事実、精留の結果からは、炭素数1〜8の炭化水素が、アンモニアよりも低い沸点を持った揮発性の高い化合物として振舞っていることが分かる。 In general, a large intermolecular force is created between those with similar properties, such as between hydrocarbon molecules and between ammonia molecules, but between molecules with very different properties, such as propane molecules and ammonia molecules. The intermolecular force born between them is small. Thus, in the situation where a very small amount of hydrocarbon impurities are present in ammonia, the conventional distillation concept is no longer meaningful. In liquid ammonia, the ammonia molecules exert a pulling force on each other. On the other hand, even if the pure substance is a hydrocarbon having 4 to 8 carbon atoms having a boiling point higher than that of ammonia, they are ammonia molecules. It is no wonder that even in liquid ammonia it behaves as a compound with a boiling point lower than that of ammonia because of its small interaction. In fact, the results of rectification show that hydrocarbons having 1 to 8 carbon atoms behave as highly volatile compounds having a boiling point lower than that of ammonia.
アンモニア中に微量に含まれる炭素数1〜8の炭化水素が、液体状のアンモニアの気相と液相でどのような濃度分布を示しているかを、温度を種々変化させてそれらの炭化水素のアンモニア中での濃度が気液平衡状態になったところで測定した結果が表2である。なお、分配比は、それぞれの飽和n−炭化水素濃度の液体状のアンモニア中初期濃度を500〜5000ppmに調整し、その後、所定の温度で2昼夜放置後に測定した。 Various concentrations of hydrocarbons having 1 to 8 carbon atoms contained in a small amount of ammonia in the gas phase and liquid phase of liquid ammonia are shown by varying the temperature. Table 2 shows the measurement results when the concentration in ammonia reached a gas-liquid equilibrium state. The distribution ratio was measured after adjusting the initial concentration in liquid ammonia of each saturated n-hydrocarbon concentration to 500 to 5000 ppm, and then standing at a predetermined temperature for 2 days and nights.
なお、この表2中で示した、気液分配係数は、分縮により不純物がどの程度分離できるかの指標となるものであり、次のように定義される。
分配係数(Kd)=A1/A2 ・・・(1)
[式中、A1は気液平衡後の気体状のアンモニア中の不純物濃度を示し、A2は気液平衡後の液体状のアンモニア中の不純物濃度を示す。]
The gas-liquid distribution coefficient shown in Table 2 is an index of how much impurities can be separated by partial contraction, and is defined as follows.
Distribution coefficient (Kd) = A 1 / A 2 (1)
Wherein, A 1 represents an impurity concentration of gaseous ammonia after the gas-liquid equilibrium, A 2 represents an impurity concentration of liquid ammonia after gas-liquid equilibrium. ]
ただし、上記式(1)中における不純物濃度A1,A2は、mol−ppmをその単位とし、定義は、下記式(2)とする。
不純物濃度(A1,A2)=
不純物(mol)/(アンモニア(mol)+不純物(mol))×106
・・・(2)
However, the impurity concentrations A 1 and A 2 in the above formula (1) have mol-ppm as the unit, and the definition is the following formula (2).
Impurity concentration (A 1 , A 2 ) =
Impurity (mol) / (ammonia (mol) + impurity (mol)) × 10 6
... (2)
この定義に従えば、気液分配係数が大きい不純物ほど、分縮により凝縮されなかった未凝縮の気体状のアンモニア中に多く含まれてくることになる。炭素数の小さな炭化水素ほど、液相中よりも気相中に存在する割合が高くなり、炭素数8までの炭化水素であれば気相中により高い濃度で存在することになる。さらに、温度が低いほど、より高い濃度でアンモニア気相中に炭化水素が存在することになる。 According to this definition, the larger the gas-liquid partition coefficient, the greater the amount of impurities contained in the uncondensed gaseous ammonia that has not been condensed by partial condensation. A hydrocarbon having a smaller carbon number has a higher ratio in the gas phase than in the liquid phase, and a hydrocarbon having a carbon number of up to 8 exists in a higher concentration in the gas phase. Furthermore, the lower the temperature, the higher the concentration of hydrocarbons in the ammonia gas phase.
さらに、平衡に達するまでの時間は、アンモニア中に含まれる炭化水素濃度が低くなるにしたがって長くなり、ppmオーダーの濃度においては、その平衡に達するまでに数日間を要することがわかった。このことは、精留によりアンモニア中の不純物を除去する操作において、精留塔の各蒸留段において起こる短い気液接触時間では、不純物である炭化水素の物質移動が十分に行われていないことを示していて、その結果からは、アンモニアの高純度化に精留を用いる方法は、工業的には効果が低いものと考えられる。なお、表2は飽和直鎖状炭化水素についてのデータであるが、炭素数4以上においては相当する種々の異性体や、炭素数2以上の炭化水素においては分子内に不飽和結合を含む場合にも、表2に示した傾向がある。 Furthermore, it has been found that the time to reach equilibrium becomes longer as the concentration of hydrocarbons contained in ammonia becomes lower, and it takes several days to reach equilibrium at concentrations on the order of ppm. This means that in the operation of removing impurities in ammonia by rectification, the mass transfer of hydrocarbons as impurities is not sufficiently performed in the short gas-liquid contact time that occurs in each distillation stage of the rectification column. From the results, it is considered that the method using rectification for purifying ammonia is industrially ineffective. Table 2 shows data for saturated straight-chain hydrocarbons. In the case of 4 or more carbon atoms, the corresponding various isomers, and in the case of hydrocarbons of 2 or more carbon atoms, unsaturated bonds are included in the molecule. There is also a tendency shown in Table 2.
以上で示してきたように、本発明者らは、粗アンモニア中における希薄不純物である炭素数1〜8の炭化水素の挙動が従来考えられていた状態と大きく異なることを確認し、さらに一歩進めて、この炭素数1〜8の炭化水素のアンモニア中での性質の違いをアンモニアの精製に利用できないかと考えた。 As described above, the present inventors confirmed that the behavior of the hydrocarbon having 1 to 8 carbon atoms, which is a dilute impurity in the crude ammonia, is significantly different from the state considered in the past, and proceeded one step further. Thus, it was considered that the difference in properties of this hydrocarbon having 1 to 8 carbon atoms in ammonia could be used for purification of ammonia.
そこで、メタン、エタンおよびプロパンをそれぞれ約5000ppm、約500ppmおよび約500ppmで含む気体状の粗アンモニアの95%を、アンモニアガス温度を−20℃に保ち、コンデンサ2における器壁温度を−30℃として凝縮により液化してみたところ、得られた液体状のアンモニア中にはそれらの炭化水素は検出されず、不純物の大部分は凝縮されなかった気体状のアンモニア中に残存することが分かった。
Therefore, 95% of gaseous crude ammonia containing methane, ethane and propane at about 5000 ppm, about 500 ppm and about 500 ppm, respectively, maintaining the ammonia gas temperature at −20 ° C., and setting the wall temperature in the
表2の分配比に従うと、分縮操作により−20℃で凝縮してくる液体状のアンモニア中には、メタン、エタンおよびプロパンがそれぞれ54ppm、24ppmおよび56ppmで存在する計算となるが、意外にも、コンデンサ2における分縮では、その値ははるかに小さなものとなり、粗アンモニアを短時間のうちに非常に高純度にまで精製できることが分かった。
According to the distribution ratio in Table 2, it is calculated that methane, ethane and propane are present at 54 ppm, 24 ppm and 56 ppm, respectively, in the liquid ammonia condensed at −20 ° C. by the partial reduction operation. However, the partial reduction in the
さらに、本発明者らは、アンモニアに含有される不純物が炭素数1〜8の炭化水素である場合、コンデンサ2により、気体状のアンモニアの90〜99.5%程度までの液化を伴う分縮操作を行っても、液相成分として得られる液体状のアンモニア中に含まれてくる不純物の濃度は、最初の気体状のアンモニア中に含有される不純物濃度と比べて大きく低下しているという事実を見出した。
Furthermore, when the impurities contained in ammonia are hydrocarbons having 1 to 8 carbon atoms, the present inventors use the
コンデンサ2における分縮によりアンモニア中に含有される不純物を分離除去する精製方法では、分縮により液相成分として得られる液体状のアンモニアは、前述のように、気液分配比から予想される値を超えて、不純物炭化水素の濃度がはるかに低くなっている。その理由は定かではないが、分縮では平衡関係が崩れて動的な不純物分離が起こり、不純物炭化水素のほとんどが、凝縮されなかった気相成分に残存するものと推察している。この推察の正しさは、コンデンサ2における分縮により液相成分として得られた液体状のアンモニアを、コンデンサ2から速やかに取り出さずに、しばらくの間、液体状のアンモニアの状態でコンデンサ2の内部に滞留させておくと、数十分〜数時間と長時間の観察が必要ではあるが、その液体状のアンモニア中の不純物炭化水素濃度が次第に上昇してくることからも裏付けられる。
In the purification method in which impurities contained in ammonia are separated and removed by partial condensation in the
この推察と観察結果は、コンデンサ2における分縮により液相成分として得られた液体状のアンモニアは、速やかにコンデンサ2から導出し、コンデンサ2の内部には未凝縮の気相成分のみが存在するように、コンデンサ2の運転を行うのが、高純度アンモニアを得るために必要であることを示している。
This inference and observation result shows that liquid ammonia obtained as a liquid phase component by partial contraction in the
なお、アンモニアの精製効率を高めるためには、あくまでも目安であるが、気液分配係数が大きいほど好ましいと考えられる。前述したように、この気液分配係数は温度により影響を受け、分縮温度が低いほど大きな気液分配係数を得ることができる。このことは、コンデンサ2における分縮操作の設定温度が高い場合、例えばアンモニアの分縮の起こる温度を50℃とした場合には、コンデンサ2に供給するアンモニアの圧力を1.81MPa以上とするとアンモニアの分縮は可能となるが、分縮操作の設定温度が低い場合と比較し、その炭化水素不純物の分離効率が低下する可能性があることを意味している。
In order to increase the purification efficiency of ammonia, it is only a guide, but a larger gas-liquid distribution coefficient is considered preferable. As described above, this gas-liquid distribution coefficient is affected by temperature, and a larger gas-liquid distribution coefficient can be obtained as the partial contraction temperature is lower. This means that when the set temperature of the partial contraction operation in the
コンデンサ2は、原料貯留タンク1から導出された気体状のアンモニアを分縮して気相成分と液相成分とに分離することで、水素、窒素、酸素、アルゴン、一酸化炭素、二酸化炭素、および炭素数1〜8の炭化水素(揮発性の高い不純物)を気相成分として分離除去し、液相成分として精製された液体状のアンモニアを得る。具体的には、コンデンサ2は、原料貯留タンク1から導出された気体状のアンモニアに対して、冷却処理によって、アンモニアを、その一部が気相成分となるように凝縮して、気相成分と液相成分とに分離する。コンデンサ2としては、多管式コンデンサ、プレート式熱交換器等が挙げられる。
本実施形態では、コンデンサ2は、原料貯留タンク1から導出された気体状のアンモニアの70〜99体積%を凝縮して気相成分と液相成分とに分離する。この場合には、原料貯留タンク1から導出された気体状のアンモニアの一部である1〜30体積%が気相成分となるように凝縮して、気相成分と液相成分とに分離することになる。これによって、原料貯留タンク1から導出された気体状のアンモニアに含まれる揮発性の高い不純物を気相成分として分離除去し、液相成分として精製された液体状のアンモニアを収率よく得ることができる。
In the present embodiment, the
また、コンデンサ2における凝縮条件としては、原料貯留タンク1から導出された気体状のアンモニアの一部が液体となるような条件であれば限定されるものではなく、温度、圧力および時間を適宜設定すればよい。本実施形態では、コンデンサ2は、原料貯留タンク1から導出された気体状のアンモニアを、−77〜50℃の温度下で凝縮して気相成分と液相成分とに分離するように構成されるのが好ましい。これによって、原料貯留タンク1から導出された気体状のアンモニアを効率よく凝縮して精製された液体状のアンモニアを得ることができるとともに、その液体状のアンモニアの純度を高めることができる。
Further, the condensation conditions in the
コンデンサ2における気体状のアンモニアに対する凝縮時の温度が、−77℃未満である場合には、冷却するのに多くのエネルギを要するので好ましくなく、50℃を超える場合には、アンモニアの一部が凝縮されて得られる液体状のアンモニアに含まれてくる不純物濃度が高くなってくるので好ましくない。
When the temperature at the time of condensation with respect to gaseous ammonia in the
また、コンデンサ2は、原料貯留タンク1から導出された気体状のアンモニアを、0.007〜2.0MPaの圧力下で凝縮して気相成分と液相成分とに分離するように構成されるのが好ましい。コンデンサ2における気体状のアンモニアに対する凝縮時の圧力が、0.007MPa未満である場合には、アンモニアを凝縮させる温度が低くなるので、冷却するのに多くのエネルギが必要となって好ましくなく、2.0MPaを超える場合には、アンモニアを凝縮させる温度が高くなるので、アンモニアの一部が凝縮されて得られる液体状のアンモニアに含まれてくる不純物濃度が高くなって好ましくない。
本実施形態のアンモニア精製システム100において、コンデンサ2は、原料貯留タンク1から導出された気体状のアンモニアの一部を凝縮して気相成分と液相成分とに分離するので、揮発性の高い不純物を気相成分として分離除去し、液相成分として精製された液体状のアンモニアを得ることができる。
In the
コンデンサ2には、排気バルブ811cが設けられた排気配管81cが接続されている。コンデンサ2において、気相成分としてアンモニアから分離除去された揮発性の高い不純物は、排気バルブ811cが開放された状態で、排気配管81cを流過してシステム外部に排出される。
An
また、アンモニア精製システム100では、第1バルブ811と開閉バルブ811aとが開放され、開閉バルブ812が閉鎖されることによって第1配管81および分岐配管81aを流過する気体状のアンモニアは、蒸留塔5に導入される。
Further, in the
蒸留塔5は、原料貯留タンク1から導出された気体状のアンモニアに含まれる揮発性の高い不純物を蒸留除去する。また、蒸留塔5は、コンデンサ2による分縮操作のみでは除去することが困難なジメチルエーテル、メタノール等の不純物を蒸留除去することができる。
The
蒸留塔5は、下から順に底部空間部55、下部蒸留部54、中央空間部53、上部蒸留部52、上部空間部51を形成し、底部空間部55には加熱装置55aが設置され、上部空間部51には前述したコンデンサ2が設置されている。加熱装置55aには外部から例えば加熱水などの加熱媒体が供給されてアンモニアのリボイルをサポートし、コンデンサ2には外部から例えば冷却水などの冷媒が供給されてアンモニアの凝縮をサポートしている。
The
蒸留塔5の中央空間部53に、分岐配管81aを介して原料貯留タンク1から導入される気体状のアンモニアは、上部蒸留部52を上昇し、流下する還流液と気液接触して精留される。すなわち、上昇する気相中に含有するアンモニアは、還流液中に溶解液化し、還流液中に溶解している揮発性の高い不純物は気化される。このとき、揮発性の高い不純物が除去されて凝縮精製されたアンモニアは、底部空間部55に流下した後、上部蒸留部52の上部へ還流される一部を除き、底部空間部55から導出される。一方、揮発性の高い不純物は、上部空間部51に上昇して濃縮ガスとなり、コンデンサ2によって冷却処理されて連続的に廃ガスとして排気配管81cを介して排出される。
Gaseous ammonia introduced from the raw
底部空間部55には、第2バルブ821が設けられた第2配管82が接続されており、コンデンサ2により凝縮されてコンデンサ2から導出された液体状のアンモニア、または、蒸留塔5の蒸留操作により凝縮されて底部空間部55から導出された液体状のアンモニアは、第2バルブ821が開放された状態で、第2配管82を流過して吸着手段3に供給される。
A
吸着手段3は、コンデンサ2または蒸留塔5から導出された液体状のアンモニアに含まれる不純物を吸着剤により吸着除去し、精製された液体状のアンモニアを得る。本実施形態では、吸着手段3は、複数の吸着部である第1吸着塔31、第2吸着塔32、第3吸着塔33および第4吸着塔34を含んで構成される。
The adsorbing means 3 adsorbs and removes impurities contained in the liquid ammonia led out from the
第1吸着塔31、第2吸着塔32、第3吸着塔33および第4吸着塔34のそれぞれに充填される吸着剤は、水分および炭化水素に対する吸着能を単独で有する。このような吸着剤としては、多孔質の合成ゼオライトを挙げることができる。合成ゼオライトの中でも、5〜9Åの細孔径を有する合成ゼオライトが好ましく、細孔径が5Åの合成ゼオライトとしてMS−5Aが挙げられ、細孔径が9Åの合成ゼオライトとしてMS−13Xが挙げられる。これらの中でも、細孔径が9Åの合成ゼオライトであるMS−13Xを吸着剤として用いるのが、特に好ましい。本実施形態で用いる吸着剤は、加熱、減圧、加熱および減圧のいずれかの処理によって、吸着した不純物(水分および炭化水素)を脱離させて再生することができる。たとえば、加熱処理によって吸着剤に吸着した不純物を脱離させる場合には、200〜350℃の温度下で加熱するようにすればよい。
The adsorbent filled in each of the
本実施形態のアンモニア精製システム100において、第1吸着塔31、第2吸着塔32、第3吸着塔33および第4吸着塔34は、水分および炭化水素に対する吸着能を単独で有する吸着剤により、液体状のアンモニアに含まれる不純物を吸着除去するので、従来技術のように、水分に対する吸着能を有する吸着剤と、炭化水素に対する吸着能を有する吸着剤との、複数の吸着剤を用いる必要がない。そのため、液体状のアンモニアに不純物として含まれる水分および炭化水素を、吸着剤の吸着能を最大限に利用して効率よく吸着除去することができる。
In the
さらに、水分および炭化水素に対する吸着能を単独で有する吸着剤により、液体状のアンモニアに含まれる不純物を吸着除去することによって、第1吸着塔31、第2吸着塔32、第3吸着塔33および第4吸着塔34に供給されるアンモニアに含まれる水分と炭化水素との量比が変動する場合であっても、第1吸着塔31、第2吸着塔32、第3吸着塔33および第4吸着塔34から導出されるアンモニアの不純物量の分析結果に基づいて、第1吸着塔31、第2吸着塔32、第3吸着塔33および第4吸着塔34における吸着剤の破過の管理を簡単に実施することができる。
Furthermore, the
また、吸着剤として用いる合成ゼオライトが5〜9Åの細孔径を有するもの、特に細孔径が9ÅのMS−13Xであることによって、アンモニアに不純物として含まれる水分および炭化水素(特に高次炭化水素)を、効率よく吸着除去することができる。 Further, since the synthetic zeolite used as the adsorbent has a pore diameter of 5 to 9 mm, particularly MS-13X having a pore diameter of 9 mm, moisture and hydrocarbons contained as impurities in ammonia (particularly higher-order hydrocarbons) Can be efficiently adsorbed and removed.
なお、第1吸着塔31、第2吸着塔32、第3吸着塔33および第4吸着塔34において、水分および炭化水素に対する吸着能を単独で有する吸着剤と、その他の吸着剤とを組合わせて用いることができるが、水分および炭化水素に対する吸着能を単独で有する吸着剤のみを用いるのが好ましい。その他の吸着剤としては、水分に対する吸着能に優れる合成ゼオライトである、MS−3A(細孔径3Å)、MS−4A(細孔径4Å)などを挙げることができる。
In addition, in the
第1吸着塔31および第3吸着塔33は、第3配管83に並列に接続されている。第3配管83には、第3配管83における流路を開放または閉鎖する第3バルブ831および第4バルブ832が設けられている。第3配管83において、第3バルブ831は、第1吸着塔31の上流側(すなわち、第1吸着塔31の塔頂部側)に配置され、第4バルブ832は、第3吸着塔33の上流側(すなわち、第3吸着塔33の塔頂部側)に配置される。
The
コンデンサ2または蒸留塔5から導出された液体状のアンモニアの第1吸着塔31への供給時には、第3バルブ831が開放され、第4バルブ832が閉鎖されて、コンデンサ2または蒸留塔5から第1吸着塔31に向けて第3配管83内を液体状のアンモニアが流過する。また、コンデンサ2または蒸留塔5から導出された液体状のアンモニアの第3吸着塔33への供給時には、第4バルブ832が開放され、第3バルブ831が閉鎖されて、コンデンサ2または蒸留塔5から第3吸着塔33に向けて第3配管83内を液体状のアンモニアが流過する。
When supplying liquid ammonia derived from the
このように、吸着手段3が、並列接続される第1吸着塔31および第3吸着塔33を有することによって、コンデンサ2または蒸留塔5から導出された液体状のアンモニアを、並列接続される第1吸着塔31および第3吸着塔33に対して、それぞれ区別した状態で導入することができるので、例えば、第1吸着塔31で吸着除去している間に、使用済みの第3吸着塔33で再度吸着除去動作が可能なように、使用済みの第3吸着塔33を再生処理することができる。
Thus, the adsorption means 3 has the
第2吸着塔32は、第4配管84を介して第1吸着塔31と直列に接続されている。すなわち、第4配管84において、一端部は第1吸着塔31の塔底部に接続され、他端部は第2吸着塔32の塔頂部に接続されている。これによって、コンデンサ2または蒸留塔5から導出されて、第1吸着塔31に導入された液体状のアンモニアは、第4配管84を流過して第2吸着塔32に導入される。このように、吸着手段3が、直列接続される第1吸着塔31および第2吸着塔32を有することによって、コンデンサ2または蒸留塔5から導出された液体状のアンモニアに含まれる不純物を、第1吸着塔31および第2吸着塔32で吸着除去することができるので、不純物に対する吸着除去能力を向上することができる。
The
第2吸着塔32から導出された液体状のアンモニアは、第5配管85を流過して、製品タンク6と接続される第10配管90に供給される。
The liquid ammonia led out from the
第5配管85には、第5配管85における流路を開放または閉鎖する第5バルブ851および第6バルブ852が設けられている。第5配管85において、第5バルブ851は、アンモニアの流過方向上流側(すなわち、第2吸着塔32側)に配置され、第6バルブ852は、アンモニアの流過方向下流側(すなわち、第10配管90側)に配置される。第2吸着塔32から導出された液体状のアンモニアの第10配管90への供給時には、第5バルブ851および第6バルブ852が開放されて、第2吸着塔32から第10配管90に向けて第5配管85内を液体状のアンモニアが流過する。
The
また、本実施形態のアンモニア精製システム100では、第5バルブ851と第6バルブ852との間において、第5配管85から分岐し、分析手段4に接続される第8配管88が設けられている。この第8配管88には、第8配管88における流路を開放または閉鎖する第9バルブ881が設けられている。第9バルブ881は、コンデンサ2または蒸留塔5から導出された液体状のアンモニアが、第1吸着塔31および第2吸着塔32に導入される場合には、常時開放されて、分析に必要なごく少量のアンモニアが分析手段4に向けて第8配管88内を流過する。
In the
第4吸着塔34は、第6配管86を介して第3吸着塔33と直列に接続されている。すなわち、第6配管86において、一端部は第3吸着塔33の塔底部に接続され、他端部は第4吸着塔34の塔頂部に接続されている。これによって、コンデンサ2または蒸留塔5から導出されて、第3吸着塔33に導入された液体状のアンモニアは、第6配管86を流過して第4吸着塔34に導入される。このように、吸着手段3が、直列接続される第3吸着塔33および第4吸着塔34を有することによって、コンデンサ2または蒸留塔5から導出された液体状のアンモニアに含まれる不純物を、第3吸着塔33および第4吸着塔34で吸着除去することができるので、不純物に対する吸着除去能力を向上することができる。
The
第4吸着塔34から導出された液体状のアンモニアは、第7配管87を流過して、製品タンク6と接続される第10配管90に供給される。
The liquid ammonia led out from the
第7配管87には、第7配管87における流路を開放または閉鎖する第7バルブ871および第8バルブ872が設けられている。第7配管87において、第7バルブ871は、アンモニアの流過方向上流側(すなわち、第4吸着塔34側)に配置され、第8バルブ872は、アンモニアの流過方向下流側(すなわち、第10配管90側)に配置される。第4吸着塔34から導出された液体状のアンモニアの第10配管90への供給時には、第7バルブ871および第8バルブ872が開放されて、第4吸着塔34から第10配管90に向けて第7配管87内を液体状のアンモニアが流過する。
The
また、本実施形態のアンモニア精製システム100では、第7バルブ871と第8バルブ872との間において、第7配管87から分岐し、分析手段4に接続される第9配管89が設けられている。この第9配管89には、第9配管89における流路を開放または閉鎖する第10バルブ891が設けられている。第10バルブ891は、コンデンサ2または蒸留塔5から導出された液体状のアンモニアが、第3吸着塔33および第4吸着塔34に導入される場合には、常時開放されて、分析に必要なごく少量のアンモニアが分析手段4に向けて第9配管89内を流過する。
Further, in the
本実施形態のアンモニア精製システム100において、第1吸着塔31、第2吸着塔32、第3吸着塔33および第4吸着塔34は、温度が0〜60℃に制御され、圧力が0.1〜1.0MPaに制御される。第1吸着塔31、第2吸着塔32、第3吸着塔33および第4吸着塔34の温度が0℃未満の場合には、不純物の吸着除去時に発生する吸着熱を除去する冷却が必要となってエネルギ効率が低下するおそれがある。第1吸着塔31、第2吸着塔32、第3吸着塔33および第4吸着塔34の温度が60℃を超える場合には、吸着剤による不純物の吸着能が低下するおそれがある。また、第1吸着塔31、第2吸着塔32、第3吸着塔33および第4吸着塔34の圧力が0.1MPa未満の場合には、吸着剤による不純物の吸着能が低下するおそれがある。第1吸着塔31、第2吸着塔32、第3吸着塔33および第4吸着塔34の圧力が1.0MPaを超える場合には、一定圧力に維持するために多くのエネルギが必要となり、エネルギ効率が低下するおそれがある。
In the
また、第1吸着塔31、第2吸着塔32、第3吸着塔33および第4吸着塔34における線速度(リニアベロシティ)は、単位時間あたりに液体状のアンモニアを第1吸着塔31、第2吸着塔32、第3吸着塔33および第4吸着塔34に供給する量をNTPでのガス体積に換算し、第1吸着塔31、第2吸着塔32、第3吸着塔33および第4吸着塔34の空塔断面積で除算して求めた値の範囲が、0.01〜0.5m/秒であることが好ましい。線速度が0.01m/秒未満の場合には、不純物の吸着除去に長時間を要するので好ましくなく、線速度が0.5m/秒を超える場合には、不純物の吸着除去時に発生する吸着熱の除去が充分に行われずに、吸着剤による不純物の吸着能が低下するおそれがある。
The linear velocities (linear velocities) in the
第2吸着塔32から導出されて第8配管88を流過する液体状のアンモニア、または、第4吸着塔34から導出されて第9配管89を流過する液体状のアンモニアは、分析手段4に導入される。
The liquid ammonia led out from the
分析手段4は、第2吸着塔32または第4吸着塔34から導出された液体状のアンモニアに含まれる不純物の濃度を分析する。本実施形態では、分析手段4は、ガスクロマトグラフ分析装置(GC−PDD:パルス放電型検出器)である。ガスクロマトグラフ分析装置としては、例えば、GC−4000(ジーエルサイエンス株式会社製)を挙げることができる。この分析手段4による分析結果に基づいて、第1吸着塔31、第2吸着塔32、第3吸着塔33および第4吸着塔34における吸着剤の破過の管理を実施する。
The analysis means 4 analyzes the concentration of impurities contained in the liquid ammonia derived from the
第2吸着塔32から導出されて第10配管90に供給された液体状のアンモニア、または、第4吸着塔34から導出されて第10配管90に供給された液体状のアンモニアは、第10バルブ901が開放された状態で第10配管90を流過して製品タンク6に導入される。
The liquid ammonia supplied from the
製品タンク6は、第2吸着塔32または第4吸着塔34から導出された液体状のアンモニアを貯留する。この製品タンク6は、液体状のアンモニアとして貯留できるように、温度および圧力が一定条件で制御されるのが好ましい。
The product tank 6 stores liquid ammonia derived from the
また、製品タンク6には、製品タンク6と外部とを連通し、気相成分を外部に排出するための流路となる第11配管91が接続されている。この第11配管91には、第11配管91における流路を開放または閉鎖する第11バルブ911が設けられている。本実施形態のアンモニア精製システム100は、第10バルブ901を閉鎖させた状態で、第11バルブ911を開放させることで、製品タンク6内に貯留される液体状のアンモニアから揮発性の高い不純物を排出除去する排出動作が実施できるように構成されている。この製品タンク6における排出動作を実施することによって、製品タンク6に貯留される液体状のアンモニアの純度をより高めることができる。
The product tank 6 is connected to an
図2は、本発明の第2実施形態に係るアンモニア精製システム200の構成を示す図である。本実施形態のアンモニア精製システム200は、前述のアンモニア精製システム100に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。アンモニア精製システム200は、吸着手段201の構成が、前述の吸着手段3の構成と異なること以外は、アンモニア精製システム100と同様である。
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an
アンモニア精製システム200に備えられる吸着手段201は、コンデンサ2または蒸留塔5から導出された液体状のアンモニアに含まれる不純物を、吸着剤により吸着除去する。本実施形態では、吸着手段201は、複数の吸着部である第1吸着塔2011、第2吸着塔2012および第3吸着塔2013を含んで構成される。
The adsorbing means 201 provided in the
第1吸着塔2011、第2吸着塔2012および第3吸着塔2013は、前述の第1吸着塔31と同様に構成される。具体的には、第1吸着塔2011、第2吸着塔2012および第3吸着塔2013には、水分および炭化水素に対する吸着能を単独で有する吸着剤が充填されている。
The
また、本実施形態のアンモニア精製システム200において、第1吸着塔2011、第2吸着塔2012および第3吸着塔2013は、温度が0〜60℃に制御され、圧力が0.1〜1.0MPaに制御される。第1吸着塔2011、第2吸着塔2012および第3吸着塔2013の温度が0℃未満の場合には、不純物の吸着除去時に発生する吸着熱を除去する冷却が必要となってエネルギ効率が低下するおそれがある。第1吸着塔2011、第2吸着塔2012および第3吸着塔2013の温度が60℃を超える場合には、吸着剤による不純物の吸着能が低下するおそれがある。また、第1吸着塔2011、第2吸着塔2012および第3吸着塔2013の圧力が0.1MPa未満の場合には、吸着剤による不純物の吸着能が低下するおそれがある。第1吸着塔2011、第2吸着塔2012および第3吸着塔2013の圧力が1.0MPaを超える場合には、一定圧力に維持するために多くのエネルギが必要となり、エネルギ効率が低下するおそれがある。
In the
また、第1吸着塔2011、第2吸着塔2012および第3吸着塔2013における線速度(リニアベロシティ)は、単位時間あたりに液体状のアンモニアを第1吸着塔2011、第2吸着塔2012および第3吸着塔2013に供給する量をNTPでのガス体積に換算し、第1吸着塔2011、第2吸着塔2012および第3吸着塔2013の空塔断面積で除算して求めた値の範囲が、0.01〜0.5m/秒であることが好ましい。線速度が0.01m/秒未満の場合には、不純物の吸着除去に長時間を要するので好ましくなく、線速度が0.5m/秒を超える場合には、不純物の吸着除去時に発生する吸着熱の除去が充分に行われずに、吸着剤による不純物の吸着能が低下するおそれがある。
The linear velocities (linear velocities) in the
そして、本実施形態では、コンデンサ2または蒸留塔5から導出された液体状のアンモニアが流過する第3配管83には、第3配管83から分岐する第13配管202、第14配管203および第15配管204が接続される。
In the present embodiment, the
第13配管202は、第3配管83から分岐して第1吸着塔2011の塔頂部に接続される。この第13配管202には、第13配管202における流路を開放または閉鎖する第13バルブ2021が設けられている。第14配管203は、第3配管83から分岐して第2吸着塔2012の塔頂部に接続される。この第14配管203には、第14配管203における流路を開放または閉鎖する第14バルブ2031が設けられている。第15配管204は、第3配管83から分岐して第3吸着塔2013の塔頂部に接続される。この第15配管204には、第15配管204における流路を開放または閉鎖する第15バルブ2041が設けられている。
The
また、第1吸着塔2011の塔底部には、第1吸着塔2011から導出された液体状のアンモニアが流過する第16配管205が接続される。この第16配管205には、第16配管205における流路を開放または閉鎖する第16バルブ2051が設けられている。第2吸着塔2012の塔底部には、第2吸着塔2012から導出された液体状のアンモニアが流過する第17配管206が接続される。この第17配管206には、第17配管206における流路を開放または閉鎖する第17バルブ2061が設けられている。第3吸着塔2013の塔底部には、第3吸着塔2013から導出された液体状のアンモニアが流過する第18配管207が接続される。この第18配管207には、第18配管207における流路を開放または閉鎖する第18バルブ2071が設けられている。
A
また、第16配管205には、第16配管205から分岐する第19配管208が接続される。この第19配管208は、第16配管205から分岐して第14配管203に接続され、第1吸着塔2011から導出された液体状のアンモニアを、第2吸着塔2012に導入するための流路となる。第19配管208には、第19配管208における流路を開放または閉鎖する第19バルブ2081が設けられている。この第19配管208には、第19配管208から分岐する第20配管209が接続される。この第20配管209は、第19配管208から分岐して第15配管204に接続され、第1吸着塔2011から導出された液体状のアンモニアを、第3吸着塔2013に導入するための流路となる。第20配管209には、第20配管209における流路を開放または閉鎖する第20バルブ2091が設けられている。
In addition, a
また、第17配管206には、第17配管206から分岐する第21配管210および第22配管211が接続される。第21配管210は、第17配管206から分岐して第13配管202に接続され、第2吸着塔2012から導出された液体状のアンモニアを、第1吸着塔2011に導入するための流路となる。第21配管210には、第21配管210における流路を開放または閉鎖する第21バルブ2101が設けられている。第22配管211は、第17配管206から分岐して第15配管204に接続され、第2吸着塔2012から導出された液体状のアンモニアを、第3吸着塔2013に導入するための流路となる。第22配管211には、第22配管211における流路を開放または閉鎖する第22バルブ2111が設けられている。
In addition, a twenty-
また、第18配管207には、第18配管207から分岐する第23配管212が接続される。この第23配管212は、第18配管207から分岐して第13配管202に接続され、第3吸着塔2013から導出された液体状のアンモニアを、第1吸着塔2011に導入するための流路となる。第23配管212には、第23配管212における流路を開放または閉鎖する第23バルブ2121が設けられている。この第23配管212には、第23配管212から分岐する第24配管213が接続される。この第24配管213は、第23配管212から分岐して第14配管203に接続され、第3吸着塔2013から導出された液体状のアンモニアを、第2吸着塔2012に導入するための流路となる。第24配管213には、第24配管213における流路を開放または閉鎖する第24バルブ2131が設けられている。
In addition, a
また、第16配管205、第17配管206および第18配管207において、液体状のアンモニアの流過方向下流側端部には、第25配管214が接続される。この第25配管214には、第1吸着塔2011、第2吸着塔2012および第3吸着塔2013のいずれか1つの吸着塔から導出された液体状のアンモニアが供給される。そして、第25配管214には、第25配管214から分岐して分析手段4に接続される第8配管88と、第25配管214から分岐して製品タンク6に接続される第10配管90とが設けられる。
In the
以上のように構成されるアンモニア精製システム200では、第1吸着塔2011、第2吸着塔2012および第3吸着塔2013の接続について、以下の6つの接続パターンがある。
In the
第1の接続パターンは、コンデンサ2または蒸留塔5から導出された液体状のアンモニアを、第1吸着塔2011、第2吸着塔2012の順に通過させる接続パターンである。第1の接続パターンでは、第13バルブ2021、第17バルブ2061および第19バルブ2081を開放させ、第14バルブ2031、第15バルブ2041、第16バルブ2051、第18バルブ2071、第20バルブ2091、第21バルブ2101、第22バルブ2111、第23バルブ2121および第24バルブ2131を閉鎖させる。
The first connection pattern is a connection pattern that allows liquid ammonia derived from the
これによって、コンデンサ2または蒸留塔5から導出された液体状のアンモニアは、第13配管202を流過して第1吸着塔2011に導入され、第1吸着塔2011から導出された液体状のアンモニアは、第16配管205および第19配管208を流過して第2吸着塔2012に導入され、第2吸着塔2012から導出された液体状のアンモニアは、第17配管206を流過して第25配管214に供給され、この第25配管214から分析手段4および製品タンク6に液体状のアンモニアが導入される。
As a result, the liquid ammonia derived from the
このような第1の接続パターンでは、液体状のアンモニアに含まれる不純物を、第1吸着塔2011および第2吸着塔2012で吸着除去することができるので、不純物に対する吸着除去能力を向上することができる。なお、第1の接続パターンでは、第3吸着塔2013における吸着除去動作は実行されないので、この第3吸着塔2013を再生処理することができる。
In such a first connection pattern, since impurities contained in liquid ammonia can be adsorbed and removed by the
第2の接続パターンは、コンデンサ2または蒸留塔5から導出された液体状のアンモニアを、第1吸着塔2011、第3吸着塔2013の順に通過させる接続パターンである。第2の接続パターンでは、第13バルブ2021、第18バルブ2071および第20バルブ2091を開放させ、第14バルブ2031、第15バルブ2041、第16バルブ2051、第17バルブ2061、第19バルブ2081、第21バルブ2101、第22バルブ2111、第23バルブ2121および第24バルブ2131を閉鎖させる。
The second connection pattern is a connection pattern that allows liquid ammonia derived from the
これによって、コンデンサ2または蒸留塔5から導出された液体状のアンモニアは、第13配管202を流過して第1吸着塔2011に導入され、第1吸着塔2011から導出された液体状のアンモニアは、第16配管205、第19配管208および第20配管209を流過して第3吸着塔2013に導入され、第3吸着塔2013から導出された液体状のアンモニアは、第18配管207を流過して第25配管214に供給され、この第25配管214から分析手段4および製品タンク6に液体状のアンモニアが導入される。
As a result, the liquid ammonia derived from the
このような第2の接続パターンでは、液体状のアンモニアに含まれる不純物を、第1吸着塔2011および第3吸着塔2013で吸着除去することができるので、不純物に対する吸着除去能力を向上することができる。なお、第2の接続パターンでは、第2吸着塔2012における吸着除去動作は実行されないので、この第2吸着塔2012を再生処理することができる。
In such a second connection pattern, since impurities contained in liquid ammonia can be adsorbed and removed by the
第3の接続パターンは、コンデンサ2または蒸留塔5から導出された液体状のアンモニアを、第2吸着塔2012、第1吸着塔2011の順に通過させる接続パターンである。第3の接続パターンでは、第14バルブ2031、第16バルブ2051および第21バルブ2101を開放させ、第13バルブ2021、第15バルブ2041、第17バルブ2061、第18バルブ2071、第19バルブ2081、第20バルブ2091、第22バルブ2111、第23バルブ2121および第24バルブ2131を閉鎖させる。
The third connection pattern is a connection pattern that allows liquid ammonia derived from the
これによって、コンデンサ2または蒸留塔5から導出された液体状のアンモニアは、第14配管203を流過して第2吸着塔2012に導入され、第2吸着塔2012から導出された液体状のアンモニアは、第17配管206および第21配管210を流過して第1吸着塔2011に導入され、第1吸着塔2011から導出された液体状のアンモニアは、第16配管205を流過して第25配管214に供給され、この第25配管214から分析手段4および製品タンク6に液体状のアンモニアが導入される。
As a result, the liquid ammonia derived from the
このような第3の接続パターンでは、液体状のアンモニアに含まれる不純物を、第1吸着塔2011および第2吸着塔2012で吸着除去することができるので、不純物に対する吸着除去能力を向上することができる。なお、第3の接続パターンでは、第3吸着塔2013における吸着除去動作は実行されないので、この第3吸着塔2013を再生処理することができる。
In such a third connection pattern, since impurities contained in liquid ammonia can be adsorbed and removed by the
第4の接続パターンは、コンデンサ2または蒸留塔5から導出された液体状のアンモニアを、第2吸着塔2012、第3吸着塔2013の順に通過させる接続パターンである。第4の接続パターンでは、第14バルブ2031、第18バルブ2071および第22バルブ2111を開放させ、第13バルブ2021、第15バルブ2041、第16バルブ2051、第17バルブ2061、第19バルブ2081、第20バルブ2091、第21バルブ2101、第23バルブ2121および第24バルブ2131を閉鎖させる。
The fourth connection pattern is a connection pattern that allows liquid ammonia derived from the
これによって、コンデンサ2または蒸留塔5から導出された液体状のアンモニアは、第14配管203を流過して第2吸着塔2012に導入され、第2吸着塔2012から導出された液体状のアンモニアは、第17配管206および第22配管211を流過して第3吸着塔2013に導入され、第3吸着塔2013から導出された液体状のアンモニアは、第18配管207を流過して第25配管214に供給され、この第25配管214から分析手段4および製品タンク6に液体状のアンモニアが導入される。
As a result, the liquid ammonia derived from the
このような第4の接続パターンでは、液体状のアンモニアに含まれる不純物を、第2吸着塔2012および第3吸着塔2013で吸着除去することができるので、不純物に対する吸着除去能力を向上することができる。なお、第4の接続パターンでは、第1吸着塔2011における吸着除去動作は実行されないので、この第1吸着塔2011を再生処理することができる。
In such a fourth connection pattern, the impurities contained in the liquid ammonia can be adsorbed and removed by the
第5の接続パターンは、コンデンサ2または蒸留塔5から導出された液体状のアンモニアを、第3吸着塔2013、第1吸着塔2011の順に通過させる接続パターンである。第5の接続パターンでは、第15バルブ2041、第16バルブ2051および第23バルブ2121を開放させ、第13バルブ2021、第14バルブ2031、第17バルブ2061、第18バルブ2071、第19バルブ2081、第20バルブ2091、第21バルブ2101、第22バルブ2111および第24バルブ2131を閉鎖させる。
The fifth connection pattern is a connection pattern that allows liquid ammonia derived from the
これによって、コンデンサ2または蒸留塔5から導出された液体状のアンモニアは、第15配管204を流過して第3吸着塔2013に導入され、第3吸着塔2013から導出された液体状のアンモニアは、第18配管207および第23配管212を流過して第1吸着塔2011に導入され、第1吸着塔2011から導出された液体状のアンモニアは、第16配管205を流過して第25配管214に供給され、この第25配管214から分析手段4および製品タンク6に液体状のアンモニアが導入される。
As a result, the liquid ammonia derived from the
このような第5の接続パターンでは、液体状のアンモニアに含まれる不純物を、第1吸着塔2011および第3吸着塔2013で吸着除去することができるので、不純物に対する吸着除去能力を向上することができる。なお、第5の接続パターンでは、第2吸着塔2012における吸着除去動作は実行されないので、この第2吸着塔2012を再生処理することができる。
In such a fifth connection pattern, since impurities contained in liquid ammonia can be adsorbed and removed by the
第6の接続パターンは、コンデンサ2または蒸留塔5から導出された液体状のアンモニアを、第3吸着塔2013、第2吸着塔2012の順に通過させる接続パターンである。第6の接続パターンでは、第15バルブ2041、第17バルブ2061および第24バルブ2131を開放させ、第13バルブ2021、第14バルブ2031、第16バルブ2051、第18バルブ2071、第19バルブ2081、第20バルブ2091、第21バルブ2101、第22バルブ2111および第23バルブ2121を閉鎖させる。
The sixth connection pattern is a connection pattern that allows liquid ammonia derived from the
これによって、コンデンサ2または蒸留塔5から導出された液体状のアンモニアは、第15配管204を流過して第3吸着塔2013に導入され、第3吸着塔2013から導出された液体状のアンモニアは、第18配管207、第23配管212および第24配管213を流過して第2吸着塔2012に導入され、第2吸着塔2012から導出された液体状のアンモニアは、第17配管206を流過して第25配管214に供給され、この第25配管214から分析手段4および製品タンク6に液体状のアンモニアが導入される。
As a result, the liquid ammonia derived from the
このような第6の接続パターンでは、液体状のアンモニアに含まれる不純物を、第2吸着塔2012および第3吸着塔2013で吸着除去することができるので、不純物に対する吸着除去能力を向上することができる。なお、第6の接続パターンでは、第1吸着塔2011における吸着除去動作は実行されないので、この第1吸着塔2011を再生処理することができる。
In such a sixth connection pattern, impurities contained in liquid ammonia can be adsorbed and removed by the
1 原料貯留タンク
2 コンデンサ
3 吸着手段
4 分析手段
5 蒸留塔
6 製品タンク
31,2011 第1吸着塔
32,2012 第2吸着塔
33,2013 第3吸着塔
34 第4吸着塔
100,200 アンモニア精製システム
DESCRIPTION OF
Claims (5)
気相を形成するように液体状の粗アンモニアを貯留し、揮発性の低い不純物の多くを液相に残して、前記気相の一部を気体状のアンモニアとして導出する貯留手段と、
前記貯留手段から導出された気体状のアンモニアの一部を凝縮し、液体状のアンモニアを導出する凝縮手段と、
前記凝縮手段から導出された液体状のアンモニアに含有される不純物を、水分および炭化水素に対する吸着能を単独で有する吸着剤により吸着除去し、精製された液体状のアンモニアを得る吸着手段と、を含むことを特徴とするアンモニア精製システム。 An ammonia purification system for purifying crude ammonia,
Storage means for storing liquid crude ammonia so as to form a gas phase, leaving most of low-volatile impurities in the liquid phase, and deriving a part of the gas phase as gaseous ammonia;
Condensing means for condensing a part of the gaseous ammonia derived from the storage means and deriving liquid ammonia;
An adsorbing means for adsorbing and removing impurities contained in liquid ammonia derived from the condensing means by an adsorbent having adsorption ability for moisture and hydrocarbons alone to obtain purified liquid ammonia; An ammonia purification system comprising:
気相を形成するように液体状の粗アンモニアを貯留し、揮発性の低い不純物の多くを液相に残して、前記気相の一部を気体状のアンモニアとして導出する貯留工程と、
前記貯留工程で導出された気体状のアンモニアの一部を凝縮し、液体状のアンモニアを導出する凝縮工程と、
前記凝縮工程で導出された液体状のアンモニアに含有される不純物を、水分および炭化水素に対する吸着能を単独で有する吸着剤により吸着除去し、精製された液体状のアンモニアを得る吸着工程と、を含むことを特徴とするアンモニアの精製方法。 A method for purifying crude ammonia comprising:
A storage step of storing liquid crude ammonia so as to form a gas phase, leaving most of low-volatile impurities in the liquid phase, and deriving a part of the gas phase as gaseous ammonia;
A condensation step of condensing part of the gaseous ammonia derived in the storage step and deriving liquid ammonia;
An adsorption step for obtaining and purifying purified liquid ammonia by adsorbing and removing impurities contained in the liquid ammonia derived in the condensation step by an adsorbent having adsorption ability for moisture and hydrocarbons alone. A method for purifying ammonia, comprising:
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