JP2004149337A - 触媒式酸化処理装置及びこれを使用するガス精製システム - Google Patents

Abstract

【課題】設置スペースの低減、熱効率の向上及び省エネルギ化を図ることができ、イニシャルコスト及びランニングコストを低減しうる触媒式酸化処理装置を提供する。
【解決手段】下位の熱交換部１５では、ガス流入口２８から一次側熱交換室１５ａに導入された被処理ガスＧを、伝熱管２５内である二次側熱交換室１５ｂを通過する加熱ガスＧ３との熱交換により予熱させた上で、連通管３２から加熱部１４に導入させる。上位の加熱部１４では、熱交換部１５で予熱された被処理ガスＧ１を加熱器２３により所定温度に加熱した上で触媒充填部１３に導入させる。中間位の触媒充填部１３では、加熱部１５で加熱された被処理ガスＧ２に含まれる不純物を酸化触媒２１により水及び／又は二酸化炭素に酸化処理する。その酸化処理ガスＧ３は、伝熱管２５を通ってガス流出口２９から流出する。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
高純度の酸素，窒素等が使用される半導体デバイスの製造工場等にあっては、酸素，窒素等の使用ガスをこれに含まれる不純物を除去して精製するガス精製システムが設置されるが、本発明は、かかるガス精製システム等において装備される触媒式酸化処理装置であって、より具体的には、酸素，窒素等の被処理ガスに含まれる一酸化炭素，水素，ハイドロカーボン等の不純物を触媒により水及び／又は二酸化炭素に酸化処理するための触媒式酸化処理装置、及びこれを使用するガス精製システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、半導体デバイスの製造工場にあっては、酸素及び窒素，アルゴン，ヘリウム等の不活性ガス又はこれらの混合ガスが使用されるが、これらのガスには、不純物として、水素，二酸化炭素，一酸化炭素，水，ハイドロカーボン（メタン等）が含まれていることから、使用ガスを、予め、不純物を除去した高純度ガスに精製しておく必要がある。
【０００３】
而して、かかるガスの精製に使用されるガス精製システムとしては、一般に、図１２に示す如く、酸素等の被処理ガスＧに含まれる不純物のうち、吸着処理し難い水素，一酸化炭素，ハイドロカーボン（メタン等）を、水及び／又は二酸化炭素に酸化処理する触媒式酸化処理装置１と、その酸化処理ガスＧ３を吸着処理して、これに含まれる水及び／又は二酸化炭素を除去する吸着処理装置２と、触媒式酸化処理１から吸着処理装置２に供給される酸化処理ガスＧ３を所定温度に冷却する冷却装置３とを具備するもの（以下「従来システムＳ」という）が周知である。
【０００４】
すなわち、従来システムＳにあって、触媒式酸化処理装置１は、酸化触媒を充填した触媒充填部４ａ及びこの触媒充填部４ａを酸化処理に最適する温度に維持するガス加熱部４ｂからなる触媒塔４と、被処理ガスＧと酸化処理ガスＧ３とを熱交換させるための熱交換器５とからなる。この触媒式酸化処理装置１にあっては、被処理ガスＧを被処理ガス供給路６から熱交換器５に供給し、熱交換器５において高温ガスである酸化処理ガスＧ３との熱交換により予熱させた上で、予熱ガス導入路７から加熱部４ｂに導入する。加熱部４ｂに導入された予熱ガスＧ１は、加熱部４ｂに設けた電気ヒータ等の加熱器４ｃにより所定温度に加熱された上で、触媒充填部４ａに供給される。触媒充填部４ａに供給された加熱ガスＧ２に含まれる水素，一酸化炭素，ハイドロカーボンは、酸化触媒との接触により、水及び／又は二酸化炭素に酸化処理される。そして、その酸化処理ガスＧ３は、触媒塔４から酸化処理ガス導入路８から熱交換器５に導入され、熱交換器５において、これを通過する被処理ガスＧと熱交換されて、冷却される。熱交換器５を通過した酸化処理ガスＧ３は、酸化処理ガス供給路９から吸着処理装置２に供給される。吸着処理装置２は、モレキュラーシーブス等の吸着剤を充填した一対の吸着塔２ａ，２ａを具備してなり、触媒式酸化処理装置１から流出する酸化処理ガスＧ３を、冷却装置３により所定温度（吸着塔における吸着処理を良好に行ないうる温度領域のもの）に冷却した上で、選択された一方の吸着塔２ａに導くことにより、当該ガスＧ３に含まれる水及び／又は二酸化炭素を吸着除去するように構成されている。このような触媒式酸化処理装置１による酸化処理及び吸着処理装置２による吸着処理により、被処理ガスＧに含まれる不純物が除去され、高純度ガス（精製ガス）Ｇ０が得られる。なお、吸着処理装置２においては、両吸着塔２ａ，２ａが吸着工程と再生工程とを交互に行ない、一方の吸着塔２ａが吸着工程を行う間においては他方の吸着塔２ａが再生工程を行うようになっている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
しかし、上記した触媒式酸化処理装置（以下「従来装置」という）１及びこれを使用する従来システムＳには次のような問題があった。
【０００６】
すなわち、従来装置１はそれぞれ独立に配置されている触媒塔４と熱交換器５とを併設しているため、どうしても設置スペースが大きくなる。その結果、従来装置１ないし従来システムＳにおけるイニシャルコストが高くなる。また、独立配置の触媒塔４と熱交換器５とを連結する予熱ガス導入路７及び酸化処理ガス導入路８を構成する配管における熱ロスが大きく、所定温度の加熱ガスＧ２を得るに要する加熱器４ｃのランニングコストが高くなり、有効な省エネルギ化を実現し難い。
【０００７】
また、熱交換器５における熱交換効率を高めるためには、伝熱管を小径のものとして多数配置したり伝熱管にフィンを形成する等により伝熱面積を大きくすることが必要であるが、このようにすることにより、熱交換器５が大型化，複雑化して、装置１ないしシステムＳが更に大型化し、イニシャルコストも更に高騰することになる。
【０００８】
また、加熱器４ｃの取付構造は、ヒータ断線時の交換等のメンテナンス上、加熱部４ｂのケーシングに耐熱シール手段を設け着脱可能なものとしておく必要があるが、着脱が簡便な耐熱シール手段がないこと、及び着脱が簡便でないシール手段はメンテナンス性が悪く、長期使用のうちにシール材の劣化によりシール性が低下するため採用できないことから、加熱器４ｃの取付部において加熱部４ｂの密閉性が不十分となり、ガス漏れを生じる等により安全性が保てず、かつ処理効率が低下する。
【０００９】
本発明は、かかる問題を生じることなく、触媒による被処理ガスの酸化処理を良好に行ないうる触媒式酸化処理装置を提供すると共に、これを使用することにより良好なガス精製を行いうるガス精製システムを提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の触媒式酸化処理装置は、上記の目的を達成すべく、特に、外部に開口するガス流入出口を有する本体ケース内に、触媒充填部とその上下両側に位置する加熱部及び熱交換部とを設けた一体構造物に構成されたものである。而して、熱交換部は、その内部を伝熱壁によりガス流入口及び加熱部に連通する一次側熱交換室とガス流出口及び触媒充填部に連通する二次側熱交換室とに区画して、ガス流入口から一次側熱交換室に導入された被処理ガスを二次側熱交換室を通過する加熱ガスとの熱交換により予熱させるように構成されている。また、加熱部は、一次側熱交換室及び触媒充填部に連通されており、当該加熱部に配設した加熱器により、一次側熱交換室から導入された被処理ガスを所定温度に加熱した上で触媒充填部に導入させるように構成されている。さらに、触媒充填部は、加熱部で加熱された被処理ガスとの接触により当該ガスに含まれる不純物を水及び／又は二酸化炭素に酸化処理する触媒が充填されており、当該触媒充填部を通過した酸化処理ガスが二次側熱交換室を経てガス流出口へと流出されるように構成されている。
【００１１】
かかる触媒式酸化処理装置にあっては、一次側熱交換室及び二次側熱交換室に、多数の小片状熱伝導体を充填しておくこと、或いは一次側熱交換室に、上下方向に所定間隔を隔てて複数の板状バッフルを配置することにより、ガス流入口から加熱部に連通する予熱ガス流出口に至る蛇行状のガス流路を形成しておくことが好ましい。後者の場合には、二次側熱交換室のみに、小片状熱伝導体を充填させる。また、加熱器は、触媒充填部内を１００〜４００℃に保持すべく、一次側熱交換室から加熱部に導入された被処理ガスを加熱するように制御されるものであり、一端部を本体ケース外に開口させた状態で、当該本体ケース部分の固着された有底筒状の保護管と、保護管内にその開口部から挿脱される発熱体とで構成しておくことが好ましい。この場合、加熱部内には、多数の小片状熱伝導体を充填しておくこと、或いは加熱部内に、上下方向に所定間隔を隔てて複数の板状バッフルを配置することにより、一次側熱交換室に連通する予熱ガス流入口から触媒充填部への連通部に至る蛇行状のガス流路を形成しておくことが好ましい。各熱交換室及び加熱部に充填される熱伝導体としては、小径金属管を半割してなるものを使用しておくことが好ましい。また、好ましい実施の形態にあって、ガス流入口から一次側熱交換室に導入される被処理ガスは、酸素、窒素、アルゴン及びヘリウムから選択される一種以上の単一ガス又は混合ガスであって、一酸化炭素、水素及びハイドロカーボンから選択される一種以上の不純物を含有するものであり、触媒としては、貴金属を無機多孔性物質に担持させてなる酸化触媒が使用される。
【００１２】
また、本発明は、上記した触媒式酸化処理装置を使用したガス精製システムであって、当該触媒酸化処理装置と、触媒式酸化処理装置のガス流出口から流出する酸化処理ガスに含まれる水及び／又は二酸化炭素を吸着除去する吸着処理装置とを具備して、被処理ガスを、これに含まれる不純物を両処理装置により除去することにより、高純度ガスに精製するように構成されていることを特徴とするガス精製システムを提案する。
【００１３】
かかるガス精製システムにあって、被処理ガスが窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスであり触媒式酸化処理装置のガス流出口から流出する酸化処理ガスに不純物としての余剰酸素が含まれている場合には、当該酸化処理ガスをこれに含まれる余剰酸素を除去した上で吸着処理装置に供給させる余剰酸素除去装置を、更に具備しておくことが好ましい。さらに、触媒式酸化処理装置のガス流入口から流入される被処理ガスが不活性ガスであり、当該装置の触媒充填部における不純物の酸化処理に必要且つ十分な量の酸素を含有しないものである場合においては、上記余剰酸素除去装置に加えて、被処理ガスに、これを上記酸化処理に必要な理論酸素量の１．１〜１．５倍に相当する量の酸素を含有するものとすべく、所定量の酸素を添加させた上で、当該被処理ガスを前記ガス流入口に流入させる酸素添加装置を、更に具備しておくことが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図８に基づいて説明する。
【００１５】
図１〜図６は本発明の第１の実施の形態を示すものである。この実施の形態における本発明のガス精製システム（以下「第１システム」という）Ｓ１は、酸素又はこれと窒素等の不活性ガスとの混合ガス（後述する触媒２１による酸化反応を適正に行うに必要な酸素量を超える量の酸素を非不純物（必須成分）として含有する混合ガス）を被処理ガスＧとしてガス精製を行うものであり、図１に示す如く、被処理ガスＧをこれに含まれる不純物（水素，二酸化炭素，一酸化炭素，水，メタン等のハイドロカーボン）を酸化処理する触媒式酸化処理装置１１と、酸化処理されたガス（酸化処理ガス）Ｇ３を所定温度に冷却する冷却装置３と、冷却されたガスＧ３を吸着塔２ａにより吸着処理する吸着処理装置２とを具備するものであり、触媒式酸化処理装置１１が、本発明に従って、次のように構成されている点を除いて、従来システムＳと同様構造をなすものである。
【００１６】
すなわち、触媒式酸化処理装置１１は、図１及び図２に示す如く、本体ケース１２内に触媒充填部１３とその上下両側に位置する加熱部１４及び熱交換部１５とを設けてなる一体構造物に構成されている。なお、この例では、触媒充填部１３の上位に加熱部１４を配置すると共に、下位に熱交換部１５を配置してある。
【００１７】
本体ケース１２は、図２に示す如く、上下壁１２ａ，１２ｂを有する金属製の円筒体であり、上下方向に所定間隔を隔てて水平に配設した第１〜第５仕切壁１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ，１２ｇにより、内部を上下方向に縦列する加熱部１４、第１連通部１６、触媒充填部１３、第２連通部１７、熱交換部１５及び酸化処理ガス排出部１８に区画してある。
【００１８】
加熱部１４とその下位の第１連通部１６とを区画する第１仕切壁１２ｃ並びに触媒充填部１３とその上下に隣接する第１及び第２連通部１６，１７とを区画する第２及び第３仕切壁１２ｄ，１２ｅは、図２に示す如く、後述する触媒２１及び熱伝導体２４を通過させない程度の多孔質構造（ガス透過構造）をなすガス透過性壁に構成されている。この例では、第１仕切壁１２ｃを、図６に示す如く、金属製多孔板１９とその上面に張設した金網２０とで構成してあり、第２及び第３仕切壁１２ｄ，１２ｅについても、第１仕切壁１２ｃと同様に、金属製多孔板とその上面又は下面に張設した金網とで構成してある（第２仕切壁１２ｄについては金網を多孔板の下面に張設し、第２仕切壁１２ｅについては金網を多孔板の上面に張設してある）。一方、第２連通部１７及び最下位の酸化処理ガス排出部１８とその間に位置する熱交換部１５とを区画する第４及び第５仕切壁１２ｆ，１２ｇは、金属板からなるガス不透過性壁に構成されている。
【００１９】
触媒充填部１３は第１及び第２連通部１６，１７に連通されており、その内部には、図２に示す如く、白金，パラジウム等の貴金属をアルミナ等の無機多孔性物質（２〜５ｍｍ程度の球体又は円柱体）に担持させた酸化触媒２１が充填されている。
【００２０】
加熱部１４は第１連通部１６を介して触媒充填部１３に連通されたものであり、その内部には、図２、図５及び図６に示す如く、複数本の保護管２３ａと各保護管２３ａに挿入された発熱体（電気ヒータ）２３ｂとからなる加熱器２３が配設されている。各保護管２３ａは、図６に示す如く、下端部を閉塞した金属管で構成されており、上端部を本体ケース１２の上壁１２ａに固着することにより、加熱部１４内に垂下状に配置されている。各発熱体２３ｂは、本体ケース１２の上壁１２ａに開口する保護管２３ａの上端開口部から当該保護管２３ａに挿脱できるようになっている。また、加熱部１４内には、図２に示す如く、多数の小片状熱伝導体２４が充填されている。熱伝導体２４としては、小径金属球，小径金属管やこれらを半割したもの等を使用することができるが、一般には、図４に示す如く、加熱部１４内に、小径鋼管（例えば、径：６．３５ｍｍ，長さ：１５〜２０ｍｍ）を半割してなる熱伝導体２４をランダムに充填させておくことが好ましい。さらに、加熱器２３（発熱体２３ｂ）は、温度コントローラ２３ｃにより、触媒充填部１３に設けた温度センサ２３ｄによる検出温度に基づいて制御されるようになっており、その制御は、触媒充填部１３を触媒２１による酸化処理に最適する温度（一般に、１００〜４００℃であり、メタン等の酸化困難な不純物を含む場合においては２００℃〜４００℃としておくことが好ましい）に保持するように行われる。なお、温度センサ２３ｄは触媒充填部１３に配置する他、図２に鎖線図示する如く、触媒充填部１３の入口部である第１連通部１６に配置するようにしてもよい。
【００２１】
触媒充填部１３の下部に配置された熱交換部１５の内部は、図２に示す如く、伝熱壁２５により一次側熱交換室１５ａと二次側熱交換室１５ｂとに区画されている。すなわち、図２及び図３に示す如く、伝熱壁を複数の伝熱管２５で構成し、各伝熱管２５の上下端部を第４及び第５仕切壁１２ｆ，１２ｇに貫通状に固着することにより、本体ケース１２の周壁と第４及び第５仕切壁１２ｆ，１２ｇとで囲繞形成された熱交換部１５内を、伝熱管２５の外部領域である一次側熱交換室１５ａと各伝熱管２５の内部領域であって第２連通部１７及び酸化処理ガス排出部１８に連通された二次側熱交換室１５ｂとに区画してある。なお、伝熱管２５は大径鋼管等で構成されており、一般的な熱交換器において使用される伝熱管に比して、はるかに大径のものである。また、一次側熱交換室１５ａ及び二次側熱交換室１５ｂには、夫々、加熱部１４におけると同様に、前記した熱伝導体２４がランダムに充填されている。なお、各伝熱管２５の下端部には、これに充填された熱伝導体２４を保持するために、金網等の多孔質材からなる熱伝導体落下防止板２５ａが取付けられている。
【００２２】
また、本体ケース１２の周壁には、図２に示す如く、一次側熱交換室２４の下部に開口するガス流入口２８及び酸化処理ガス排出部１８に開口するガス流出口２９が設けられている。ガス流入口２８には被処理ガス供給源から導かれた被処理ガス供給路６が接続されており、ガス流出口２９には吸着処理装置２に導かれた酸化処理ガス供給路９が接続されている。さらに、一次側熱交換室１５ａの上部に設けた予熱ガス流出口３２ａと加熱部１４の上部に設けた予熱ガス流入口３２ｂとが、図２に示す如く、連通管３２により接続されていて、この連通管３２により一次側熱交換室１５ａと加熱部１４とが連通されている。
【００２３】
吸着処理装置２は、図１に示す如く、触媒式酸化処理装置１１のガス流出口２９に酸化処理ガス供給路９を介して接続された一対の吸着塔２ａ，２ａを具備してなり、従来システムＳにおけると同様に、ガス流出口２９から流出された酸化処理ガスＧ３を、酸化処理ガス供給路９の適所に介設した冷却装置３により所定温度（吸着塔２ａに充填したモレキュラーシーブス等の吸着剤により当該ガスＧ３に含まれる水及び／又は二酸化炭素を吸着除去するに最適な温度）に冷却した上で、選択された一方の吸着塔２ａに導入させて、当該吸着塔２ａにおいて当該ガスＧ３に含まれる不純物（水及び／又は二酸化炭素）を吸着剤により吸着除去して、高純度ガス（精製ガス）Ｇ０を得るように構成されている。両吸着塔２ａ，２ａが交互に吸着工程と再生工程とに一定サイクルで切り替えられる点は、従来システムＳにおける吸着処理装置２と同一である。
【００２４】
以上のように構成された第１システムＳ１にあっては、特に、触媒式酸化処理装置１１が上記した如く構成されていることから、冒頭に述べた如き問題を生じることなく、酸素又はこれと窒素等との混合ガスである被処理ガスＧを、不純物を含まない高純度ガスＧ０に効率良く精製することができる。
【００２５】
すなわち、ガス流入口２８から一次側熱交換室１５ａに導入された被処理ガス（常温ガス）Ｇは、熱交換部１５において、二次側熱交換室１５ｂを通過する加熱ガス（後述する酸化処理ガス）Ｇ３との熱交換により予熱される。その予熱ガスＧ１は、一次側熱交換室１５ａから連通管３２を経て加熱部１４に供給され、加熱部１４を通過する間に、加熱器２３により加熱される。その加熱ガスＧ２は、加熱部１４から第１連通部１６を経て触媒充填部１３に供給されて、触媒充填部１３において酸化触媒２１との接触により酸化処理され、当該ガスＧ２に含まれる前記不純物が水及び／又は二酸化炭素に酸化される。不純物を触媒２１により酸化処理された酸化処理ガスＧ３は、触媒充填部１３から第２連通部１７を経て二次側熱交換室１５ｂに供給され、二次側熱交換室１５ｂを通過する間に、一次側熱交換室１５ａ内の被処理ガスＧと熱交換して冷却される。そして、二次側熱交換室１５ｂを通過した酸化処理ガスＧ３は、酸化処理ガス排出部１８からガス流出口２９及び酸化処理ガス供給路９を吸着処理装置２に導入される。爾後は、冒頭で述べたガス精製システムと同様に、当該ガスＧ３に含有される不純物（水，二酸化炭素）が吸着処理装置２により吸着除去されて、精製ガス（高純度ガス）Ｇ０が得られる。
【００２６】
而して、触媒式酸化処理装置１１は、その全ての機能部（触媒充填部１３、加熱部１４及び熱交換部１５）を本体ケース１２に内蔵したものであるから、熱交換部１５における被処理ガスＧと酸化処理ガスＧ３との熱交換作用及び加熱部１４における予熱ガスＧ１の加熱作用を、従来装置１に比して、熱ロスを大幅に低減させつつ、効率良く行うことができる。その結果、加熱部１４における加熱器２３のランニングコスト低減，省エネルギ化を図りつつ、触媒充填部１３における酸化処理を良好に行うことができる。しかも、触媒式酸化処理装置１１を触媒充填部１３、加熱部１４及び熱交換部１５が上下方向に縦列する一体構造物に構成しているから、独立した熱交換器５を触媒塔４と併設するようにした従来装置１に比して、装置１１全体を大幅に小型化し得て、装置設置スペースの大幅な低減を図ることができる。
【００２７】
また、熱交換部１５にあっては、一次側熱交換室１５ａ内の被処理ガスＧと二次側熱交換室１５ｂ内の酸化処理ガスＧ３との熱交換が行われるが、両熱交換室１５ａ，１５ｂには熱伝導体２４が充填されているため、伝熱面積が極めて大きくなり、上記熱交換が効率良く行われる。ところで、冒頭で述べた如く、一般的な熱交換器にあっては、伝熱面積を大きくするために、熱交換媒体が通過する伝熱管を可及的に小径のものとすると共に伝熱管数を多く配設しておく等の工夫が必要となり、熱交換器構造が徒に複雑化，大型化する。しかし、上記した熱交換部１５においては、伝熱面積を熱伝導体２４の充填により増大させていることから、伝熱管（ないし伝熱壁）２５の構造は伝熱面積の増減に殆ど影響しない。したがって、例えば、上記した如く伝熱管２５を一般的な伝熱管に比して極めて大径のものとし且つ設置本数を少なくしても、熱交換効率を低下させることがなく、熱交換部１５の構造を可及的に小型化，簡略化することができる。その結果、触媒式酸化処理装置１１が熱交換部１５を含めた一体構造物に構成されているにも拘らず、装置１１全体の小型化，簡略化を図ることができる。さらに、熱伝導体２４を、図４に示す如き半割管状のものとしてランダムに充填させるようにすると、熱伝導体２４の充填層にはランダムで微細なガス通路が形成されることになる。したがって、伝熱管にフィンを固着する等によりガス通路を複雑なものとせずとも、当該充填層におけるガス滞留時間が長くなって熱交換率が向上することになり、熱交換部１５の更なる小型化，簡略化を図ることができる。
【００２８】
また、加熱器２３を、本体ケース部分（上壁）１２ａに固着した有底筒状の保護管２３ａに発熱体２３ｂを挿脱可能に装填した構成となしたことによって、冒頭で述べた如きシール手段を必要とすることなく、加熱部１４の密閉性を確保することができ、発熱体２３ｂの取外等を必要とするメンテナンス作業も極めて容易に行うことができる。ところで、発熱体２３ｂを保護管２３ａで囲繞した場合、加熱部１４に導入された予熱ガスＧ１の加熱効率が低下する虞れがある。しかし、加熱部１４には熱伝導体２４がランダムに充填されていて、熱交換部１５におけると同様に、ガスＧ１との伝熱面積が大きくなっていると共に熱伝導体２４の充填層にランダムで微細なガス通路が形成されることになる。したがって、予熱ガスＧ１の加熱が効率良く行われ、上記した虞れはなく、加熱器２３のランニングコストも低減できる。しかも、触媒塔４と熱交換器５とを外部導入路７，８で接続した従来装置１に比して、熱ロスが少ない等により、運転開始から触媒温度が適正温度に上昇するまでに要する時間が短くなり、つまり運転開始から不純物濃度（一酸化濃度，水素濃度，メタン等のハイドロカーボン濃度）が所定値以下（例えば、１ｐｐｂ以下）に達するまでに要する時間が短くなり、酸化処理効率が大幅に向上する。
【００２９】
ところで、触媒２１による酸化反応により被処理ガスＧに含有される酸素が消費されることから、適正な酸化反応が行われるためには、つまり不純物の水及び／又は二酸化炭素への変換が十分に行われるためには、被処理ガスＧに当該消費酸素量に相当する量以上の酸素が含まれていることが必要である。しかし、不活性ガスの精製において酸素を含まないか所定量（所定濃度）以上の酸素を含まない精製ガスＧ０を得る必要がある場合であって、被処理ガスＧに触媒２１による酸化反応により消費される量（以下「消費酸素量」という）を超える量の酸素が含まれている場合（つまり被処理ガスＧが酸素過剰ガスである場合）には、触媒充填部１３を経過した酸化処理ガスＧ３に余剰酸素（酸素を含有しない精製ガスＧ０を得る必要がある場合にあっては、被処理ガスＧに含まれる酸素量から消費酸素量を差し引いた量の酸素が余剰酸素となり、所定量以上の酸素を含まない精製ガスＧ０を得る必要がある場合にあっては、被処理ガスＧに含まれる酸素量から消費酸素量及精製ガスＧ０に必要な酸素量を差し引いた量の酸素が余剰酸素となる）が含まれることになり、この余剰酸素が吸着処理装置２から流出する精製ガスＧ０に不純物として含まれることになるため、目的とする高純度ガスＧ０を得ることができず、適正なガス精製を実現することができない。また、逆に、不活性ガスの精製において被処理ガスＧが酸素を含まないか消費酸素量以上の酸素を含まない場合（つまり被処理ガスＧが酸素過少ガスである場合）には、触媒２１による酸化反応が適正に行われず、被処理ガスＧが酸素過剰ガスである場合と同様に、目的とする高純度ガスＧ０を得ることができず、適正なガス精製を実現することができない。
【００３０】
而して、図７は第２の実施の形態を示すものであり、この実施の形態におけるガス精製システム（以下「第２システム」という）Ｓ２は、上記した被処理ガスＧが不活性ガスであって共存する酸素が過剰である場合において、目的とする高純度ガスＧ０を得ることができるように工夫されたものである。
【００３１】
すなわち、第２システムＳ２では、図７に示す如く、酸化処理ガス供給路９における冷却装置３の下流側であって吸着処理装置２の上流側に余剰酸素除去装置３３を介設して、触媒式酸化処理装置１１のガス流出口２９から冷却装置３を経た酸化処理ガスＧ３を、これに含まれる余剰酸素を除去した上で吸着処理装置２に供給させるように構成されている。余剰酸素除去装置３３としては、例えば、図７に示す如く、ニッケル触媒を充填した一対のニッケル触媒塔３３ａ，３３ａを具備して、酸化処理ガスＧ３を選択された一方のニッケル触媒塔３３ａにおいて当該ガスＧ３に含まれる余剰酸素をニッケル触媒との接触により除去するように構成されたものが使用される。なお、各ニッケル触媒塔３３ａは、吸着処理装置２の各吸着塔２ａに直結されており、一方の吸着塔２ａ及びこれに直結されたニッケル触媒塔３３ａが処理工程（当該吸着塔２ａによる吸着処理工程及び当該ニッケル触媒塔３３ａによる酸素除去処理工程）を行う間において、他方の吸着塔２ａ及びこれに直結されたニッケル触媒塔３３ａが再生工程を行い、これらが一定サイクルで交互に切り替えられるようになっている。
【００３２】
したがって、第２システムＳ２によれば、酸化処理ガスＧ３に含まれる余剰酸素を余剰酸素除去装置３３により除去して、余剰酸素を含まない酸化処理ガスＧ４を吸着処理装置２に導入させることにより、目的とする高純度ガスＧ０を得ることができる。なお、第２システムＳ２の構成，機能，作用効果は、余剰酸素除去装置３３を設けた点を除いて、第１システムＳ１と同一である。
【００３３】
また、図８は第３の実施の形態を示すものであり、この実施の形態におけるガス精製システム（以下「第３システム」という）Ｓ３は、上記した被処理ガスＧが不活性ガスであって共存する酸素が過少である場合において、目的とする高純度ガスＧ０を得ることができるように工夫されたものである。
【００３４】
すなわち、第３システムＳ３では、図８に示す如く、酸化処理ガス供給路９における冷却器３の下流側に余剰酸素除去装置３３を介設すると共に、被処理ガス供給路６に酸素添加装置３４を介設してある。酸素添加装置３４は、触媒式酸化処理装置１１のガス流入口２８から流入される被処理ガスＧが触媒２１による酸化処理に必要な理論酸素量の１．１〜１．５倍に相当する量の酸素を含有するものとすべく、所定量の酸素Ｇ５を添加させた上で、当該被処理ガスＧを前記ガス流入口２８から触媒式酸化処理装置１１に供給させる。したがって、触媒２１による酸化反応が適正に行われて、一酸化炭素等の不純物が水及び／又は二酸化炭素に酸化されて、爾後の吸着処理が良好に行われる。このように、被処理ガスＧに酸素Ｇ５を添加することにより触媒充填部１３における酸化処理が良好に行われる反面、酸化処理ガスＧ３には添加酸素Ｇ５による余剰酸素が含まれることになる。しかし、第３システムでは、酸素添加装置３４に設けることに加えて、第２システムと同様に、酸化処理ガスＧ３に含まれる余剰酸素を除去して、余剰酸素を含まない酸化処理ガスＧ４を吸着処理装置２に導入させる余剰酸素除去装置３３を設けているから、酸素Ｇ５の添加による触媒２１による酸化処理が適正に行われることとも相俟って、目的とする高純度ガスＧ０を確実に得ることができる。ところで、酸素添加による被処理ガスＧの酸素量が理論酸素量の１．１倍未満である場合には、触媒２１による酸化反応が十分に行われず、逆に理論酸素量の１．５倍を超える場合には、触媒２１による酸化反応は十分に行われるが酸化反応に寄与しない余剰酸素が増大するためニッケル触媒塔等の余剰酸素除去装置３３の酸素除去ライフが著しく少なくなる。なお、第３システムＳ３にあっては、吸着処理装置２と余剰酸素除去装置３３とを一体構成してある。すなわち、図８に示す如く、酸化処理ガス供給路９に分岐接続された一対の処理塔１００，１００を設け、各処理塔１００に吸着剤を充填した吸着部２ｂ（吸着塔２ａに相当する）とニッケル触媒を充填した触媒部３３ｂ（ニッケル触媒塔３３ａに相当する）とを上下２段に設けてあり、選択された一方の処理塔１００において、酸化処理ガス供給路９から酸化ガスＧ３が触媒部３３ｂにおいて酸素除去され、触媒部３３ｂを通過した酸化処理ガスＧ４が引き続き吸着部２ｂにおいて吸着処理されるように構成されている。このとき、他方の処理塔１００においては吸着部２ｂ及び触媒部３３ｂの再生が行われ、両処理塔１００，１００が交互に処理と再生とを一定サイクルで繰り返すようになっている。第３システムにおける構成，機能，作用効果は、酸素添加装置３４を設けた点及び吸着処理装置２と余剰酸素除去装置３３とを一体構成とした点を除いて、第２システムＳ２と同一である。
【００３５】
なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものでなく、本発明の基本原理を逸脱しない範囲において適宜に改良，変更することができる。
【００３６】
例えば、触媒式酸化処理装置１１において、図９〜図１１に示す如く、加熱部１４内に、上下方向に所定間隔を隔てて複数の板状バッフル３５ａ，３５ｂを配置することにより、一次側熱交換室１５ａに連通する予熱ガス流入口３２ｂから触媒充填部１３への連通部（加熱部１４の下端部空間）１４ａに至る蛇行状のガス流路３５ｃ，３５ｄを形成すると共に、一次側熱交換室１５ａに、上下方向に所定間隔を隔てて複数の板状バッフル３６ａ，３６ｂを配置することにより、ガス流入口２８から予熱ガス流出口３２ａに至る蛇行状のガス流路３６ｃ，３６ｄを形成して、加熱部１４及び一次側熱交換室１５ａに熱伝導体２４を充填させた場合と同様の伝熱効率を確保することができる。すなわち、加熱部１４には、図９及び図１０に示す如く、加熱部１４の周壁（本体ケース１２の周壁部分）に水平に内嵌しうる形状の金属円板を一部切除したものであって、予熱ガス流入口３２ｂからの予熱ガスＧ１の流入方向における一端部側を切除した形状の第１バッフル３５ａと当該流入方向における他端部側を切除した形状の第２バッフル３５ｂとを上下方向に交互に所定間隔を隔てて配設することにより、本体ケース１２の上壁１２ａ及び仕切壁１２ｄとの間においてバッフル３５ａ，３５ｂで区画された複数の水平通路３５ｃと、上下に隣接する水平通路３５ｃ，３５ｃの端部間を連結する連通路（当該両水平通路３５ｃ，３５ｃを仕切る第１又は第２バッフル３５ａ，３５ｂの切除端と本体ケース１２の内周面との間に形成される空間部）３５ｄとからなる蛇行状のガス流路が形成されていて、予熱ガス流入口３２ｂから流入した予熱ガスＧ１が、触媒充填部１３へショートパスすることなく、各保護管２３ａと十分に接触しつつ触媒充填部１３へと流動せしめられるように工夫されている。同様に、一次側熱交換室１５ａにおいても、図９及び図１１に示す如く、一次側熱交換室１５ａの周壁（本体ケース１２の周壁部分）に水平に内嵌しうる形状の金属円板を一部切除したものであって、ガス流入口２８からの被処理ガスＧの流入方向における一端部側を切除した形状の第１バッフル３６ａと当該流入方向における他端部側を切除した形状の第２バッフル３６ｂとを上下方向に交互に所定間隔を隔てて配設することにより、仕切壁１２ｆ，１２ｇ間においてバッフル３６ａ，３６ｂで区画された複数の水平通路３６ｃと、上下に隣接する水平通路３６ｃ，３６ｃの端部間を連結する連通路（当該両水平通路３６ｃ，３６ｃを仕切る第１又は第２バッフル３６ａ，３６ｂの切除端と本体ケース１２の内周面との間に形成される空間部）３６ｄとからなる蛇行状のガス流路が形成されていて、ガス流入口２８から流入した被処理ガスＧが、予熱ガス流出口３２ａへショートパスすることなく、各伝熱管（二次側熱交換室１５ｂを囲繞する伝熱壁）２５と十分に接触しつつ予熱ガス流出口３２ａへと流動せしめられるように工夫されている。なお、図９に示す触媒式酸化処理装置１１の構成，機能，作用効果は、上記した点（加熱部１４及び一次側熱交換室１５ａに、熱伝導体２４を充填させることなく、バッフル３５ａ，３５ｂ，３６ａ，３６ｂを配設した点）を除いて、二次側熱交換室１５ｂに前記した熱伝導体２４を充填した点を含めて図２に示すものと同一である。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明から容易に理解されるように、本発明の触媒式酸化処理装置は、触媒充填部、加熱部及び熱交換部を上下方向に縦列させた一体構造物に構成されたものであるから、設置スペースを大幅に低減することができると共に、熱ロスを可及的に防止して、熱効率の向上及び省エネルギ化を図ることができ、イニシャルコスト及びランニングコストを大幅な低減することができる。
【００３８】
また、本発明のガス精製システムによれば、上記触媒式酸化処理装置を使用することによりイニシャルコスト，ランニングコストの大幅な低減を図ることができると共に、被処理ガスの性状（特に、酸素濃度の過不足）に拘らず、触媒式酸化処理装置による酸化処理を良好に行ない得て、目的とする高純度の精製ガスを確実に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１システムを示す系統図である。
【図２】第１システムにおける触媒式酸化処理装置を示す縦断正面図である。
【図３】図２のＩＩＩ − ＩＩＩ線に沿う横断平面図である。
【図４】図２の要部（熱伝導体）を取り出して示す斜視図である。
【図５】図２のＶ−Ｖ線に沿う横断平面図である。
【図６】図２の要部（加熱部）を拡大して示す詳細図である。
【図７】第２システムを示す系統図である。
【図８】第３システムを示す系統図である。
【図９】触媒式酸化処理装置の変形例を示す縦断正面図である。
【図１０】図９のＸ−Ｘ線に沿う横断平面図である。
【図１１】図９のＸＩ−ＸＩ線に沿う横断平面図である。
【図１２】従来システムを示す系統図である。
【符号の説明】
２…吸着処理装置、２ａ…吸着塔、２ｂ…吸着部、３…冷却装置、１１…触媒式酸化処理装置、１２…本体ケース、１２ａ…本体ケースの上壁（本体ケース部分）、１２ｂ…本体ケースの下壁、１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ…ガス透過性壁、１２ｅ，１２ｆ…ガス不透過性壁、１３…触媒充填部、１４…加熱部、１４ａ…加熱部における触媒充填部１３への連通部、１５…熱交換部、１５ａ…一次側熱交換室、１５ｂ…二次側熱交換室、１６，１７…連通部、１８…酸化処理ガス排出部、２１…酸化触媒（触媒）、２３…加熱器、２３ａ…保護管、２３ｂ…発熱体、２３ｃ…温度コントローラ、２３ｄ…温度センサ、２４…熱伝導体、２５…大径鋼管（伝熱壁）、２８…ガス流入口、２９…ガス流出口、３２…連通管、３２ａ…予熱ガス流出口、３２ｂ…予熱ガス流入口、３３…余剰酸素除去装置、３３ａ…ニッケル触媒塔、３３ｂ…触媒部、３４…酸素添加装置、３５ａ，３５ｂ，３６ａ，３６ｂ…バッフル、３５ｃ，３５ｄ，３６ｃ，３６ｄ…ガス通路、１００…処理塔、Ｇ…被処理ガス、Ｇ０…精製ガス（高純度ガス）、Ｇ１…予熱ガス、Ｇ２…加熱ガス、Ｇ３…酸化処理ガス、Ｇ４…余剰酸素を除去された酸化処理ガス、Ｇ５…添加酸素、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３…ガス精製システム。

Claims (12)

1. 外部に開口するガス流入出口を有する本体ケース内に、触媒充填部とその上下両側に位置する加熱部及び熱交換部とを設けてあり、
   熱交換部は、その内部を伝熱壁によりガス流入口及び加熱部に連通する一次側熱交換室とガス流出口及び触媒充填部に連通する二次側熱交換室とに区画して、ガス流入口から一次側熱交換室に導入された被処理ガスを、二次側熱交換室を通過する加熱ガスとの熱交換により、予熱させるように構成されており、
   加熱部は、一次側熱交換室及び触媒充填部に連通されており、当該加熱部に配設した加熱器により、一次側熱交換室から導入された被処理ガスを所定温度に加熱した上で触媒充填部に導入させるように構成されており、
   触媒充填部は、加熱部で加熱された被処理ガスとの接触により当該ガスに含まれる不純物を水及び／又は二酸化炭素に酸化処理する触媒が充填されており、当該触媒充填部を通過した酸化処理ガスが二次側熱交換室を経てガス流出口へと流出されるように構成されていることを特徴とする触媒式酸化処理装置。
2. 一次側熱交換室及び二次側熱交換室には、多数の小片状熱伝導体が充填されていることを特徴とする、請求項１に記載する触媒式酸化処理装置。
3. 一次側熱交換室には、上下方向に所定間隔を隔てて複数の板状バッフルを配置することにより、ガス流入口から加熱部に連通する予熱ガス流出口に至る蛇行状のガス流路が形成されており、二次側熱交換室には、多数の小片状熱伝導体が充填されていることを特徴とする、請求項１に記載する触媒式酸化処理装置。
4. 加熱器は、触媒充填部内を１００〜４００℃に保持すべく、一次側熱交換室から加熱部に導入された被処理ガスを加熱するように制御されるものであることを特徴とする、請求項１、請求項２又は請求項３に記載する触媒式酸化処理装置。
5. 加熱器を、一端部を本体ケース外に開口させた状態で、当該本体ケース部分の固着された有底筒状の保護管と、保護管内にその開口部から挿脱される発熱体とで構成すると共に、加熱部内に、多数の小片状熱伝導体を充填してあることを特徴とする、請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４に記載する触媒式酸化処理装置。
6. 加熱器を、一端部を本体ケース外に開口させた状態で、当該本体ケース部分の固着された有底筒状の保護管と、保護管内にその開口部から挿脱される発熱体とで構成すると共に、加熱部内には、上下方向に所定間隔を隔てて複数の板状バッフルを配置することにより、一次側熱交換室に連通する予熱ガス流入口から触媒充填部への連通部に至る蛇行状のガス流路が形成されていることを特徴とする、請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４に記載する触媒式酸化処理装置。
7. 熱伝導体が、小径金属管を半割してなるものであることを特徴とする、請求項２、請求項３又は請求項５に記載する触媒式酸化処理装置。
8. ガス流入口から一次側熱交換室に導入される被処理ガスが、酸素、窒素、アルゴン及びヘリウムから選択される一種以上の単一ガス又は混合ガスであって、一酸化炭素、水素及びハイドロカーボンから選択される一種以上の不純物を含有するものであることを特徴とする、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６又は請求項７に記載する触媒式酸化処理装置。
9. 触媒が、貴金属を無機多孔性物質に担持させてなる酸化触媒であることを特徴とする、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７又は請求項８に記載する触媒式酸化処理装置。
10. 請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８又は請求項９に記載する触媒式酸化処理装置と、触媒式酸化処理装置のガス流出口から流出する酸化処理ガスに含まれる水及び／又は二酸化炭素を吸着除去する吸着処理装置とを具備して、被処理ガスを、これに含まれる不純物を両処理装置により除去することにより、高純度ガスに精製するように構成されていることを特徴とするガス精製システム。
11. 触媒式酸化処理装置のガス流出口から流出する酸化処理ガスに不純物としての余剰酸素が含まれている場合において、当該酸化処理ガスをこれに含まれる余剰酸素を除去した上で吸着処理装置に供給させる余剰酸素除去装置を、更に具備することを特徴とする、請求項１０に記載するガス精製システム。
12. 触媒式酸化処理装置のガス流入口から流入される被処理ガスが当該装置の触媒充填部における不純物の酸化処理に必要且つ十分な量の酸素を含有しないものである場合において、被処理ガスに、これを上記酸化処理に必要な理論酸素量の１．１〜１．５倍に相当する量の酸素を含有するものとすべく、所定量の酸素を添加させた上で、当該被処理ガスを前記ガス流入口に流入させる酸素添加装置を、更に具備することを特徴とする、請求項１１に記載するガス精製システム。

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