JP2004174471A

JP2004174471A - 窒素ガスの製造方法および製造装置

Info

Publication number: JP2004174471A
Application number: JP2002382650A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Fukuhara; 廣福原
Original assignee: Fukuhara Co Ltd
Current assignee: Fukuhara Co Ltd
Priority date: 2002-11-26
Filing date: 2002-11-26
Publication date: 2004-06-24

Abstract

【課題】ＰＡＳ方式の場合、装置が大形となり、電磁弁等の装置のメンテナンスに難点があり、膜分離方式の場合、窒素純度は９５〜９９．９％程度となるため、高純度のニーズには適せず、深冷分離方式の場合、９９．９９９％以上の高純度の窒素が得られるが、大規模な設備が必要であった。
【解決手段】圧縮空気を加熱する第一熱交換器３０と、圧縮空気より酸素を除去する中空糸膜式窒素ガス発生器４０と、圧縮空気の酸素を吸収する酸素吸収装置７０を、記載の順に圧縮空気が流れるように配設した。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒素ガスの製造方法および製造装置に関する技術であって、更に詳細に述べると、簡便な方式で純度の高い窒素ガスを作り出すための、また発生した廃熱を有効活用しての、窒素ガスの製造方法および製造装置の技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、窒素ガスの製造方法および製造装置に関する技術としては、ＰＡＳ方式と膜分離方式と深冷分離方式の３種類が一般的であった。
【０００３】
その中で、ＰＡＳ方式は、ＰｒｅｓｓｕｒｅＳｗｉｎｇＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎ、の略称を意味していて、圧縮空気を活性炭の一種である吸着材に通し、高圧力下で特定のガスを吸着し、低圧力下で特定のガスを吐き出す、という吸着材の特性を利用して、圧縮空気から酸素等を吸着することで窒素を分離する方式である。この場合、ヒートレス・ドライヤーと同様の原理をもち、装置は２筒式で膜分離式よりも大形となり、電磁弁などのメンテナンス負荷もかかっていた。
尚、窒素の純度は通常９９〜９９．９９９９％程度であった。
【０００４】
一方、膜分離方式は、圧縮空気を中空糸状の高分子膜である中空糸膜内に送り込み、圧縮空気に含まれている各ガス成分の膜への透過量の差を利用して窒素を分離する方式である。この場合、ＰＡＳ方式よりも小形でメンテナンス負荷も小さい反面、窒素の純度は９５〜９９．９％程度であるため、高純度のニーズには適しなかった。
【０００５】
また、深冷分離方式は、大量と高純度のニーズ向けのもので、空気を冷却して分離生成していた。例えば、空気を−１９０℃前後にした場合には、窒素の沸点は−１９５．８℃であり酸素の沸点は−１８３．０℃であるので、酸素は液化し分離出来る。この場合、９９．９９９％以上の高純度の窒素が得られるが、大規模な設備が必要であった。一方、供給は、タンクローリーによる搬送のほか、大口ユーザーの工場敷地内や隣接地にプラントを設置してパイピングする方式も採られていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の、窒素ガスの製造方法および製造装置に関する技術に関しては、以下に示すような課題があった。
【０００７】
第一に、ＰＡＳ方式の場合、装置が大形となり、電磁弁等の装置のメンテナンスに難点があった。
【０００８】
第二に、膜分離方式の場合、窒素純度は９５〜９９．９％程度となるため、高純度のニーズには適しなかった。
【０００９】
第三に、深冷分離方式の場合、９９．９９９％以上の高純度の窒素が得られるが、大規模な設備が必要であった。
本発明はこのような課題を解決することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、圧縮空気を加熱した後に、前記圧縮空気より酸素を除去する中空糸膜式窒素ガス発生器４０と、前記圧縮空気より酸素を吸収する酸素吸収装置７０を経由させたことを特徴とし、更には、前記酸素吸収装置７０より発生した熱を、前記圧縮空気を加熱する目的で使用することを特徴とすることによって、上記課題を解決した。
【００１１】
また本発明は、圧縮空気を加熱する第一熱交換器３０と、前記圧縮空気より酸素を除去する中空糸膜式窒素ガス発生器４０と、前記圧縮空気の酸素を吸収する酸素吸収装置７０を、記載の順に前記圧縮空気が流れるように配設したことを特徴とし、更には、前記圧縮空気の流量を調整する絞り弁５０を、前記中空糸膜式窒素ガス発生器４０の直後に配設したことを特徴とし、更には、前記第一熱交換器３０の上流に、前記酸素吸収装置７０より発生した熱を利用している第二熱交換器９０を配設したことを特徴とすることによって、上記課題を解決した。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本願発明による、窒素ガスの製造装置を図面と共に詳細に説明する。
ここで、図１は、本願発明の全体を示した図であり、図２は、別の本願発明の全体を示した図である。
【００１３】
（第一実施例）
図１に見られるように、１０はエアーコンプレッサであり、具体的に図示していないが、モータとコンプレッサとタンクから構成されていて、モータの回転をベルトによってコンプレッサに伝達することで、大気を取り込みながら圧縮空気をタンクに貯蔵するようになっている。
【００１４】
そして、全体の構成としては、エアーコンプレッサ１０によってタンクに貯蔵された圧縮空気は、圧縮空気配管２０１と、手動によって開閉することが可能な開閉弁１１と、圧縮空気配管２０２と、圧縮空気より塵埃やオイルミスト等を除去するエアーフィルター２０と、圧縮空気配管２０３と、圧縮空気を加熱する第一熱交換器３０と、圧縮空気配管２０４と、圧宿空気より酸素を除去する中空糸膜式窒素ガス発生器４０と、窒素ガス配管２０５と、中空糸膜式窒素ガス発生器４０を流れる圧縮空気の流量を調整する絞り弁５０と、窒素ガス配管２０６と、窒素ガスを貯蔵する窒素ガスタンク６０と、窒素ガス配管２０７と、ここまで流れてきた窒素ガスから更に酸素を吸収する酸素吸収装置７０と、窒素ガス配管２０８と、酸素吸収装置７０で発生した塵埃等を除去するエアーフィルター８０と、窒素ガス配管２０９と、手動によって開閉することが可能な開閉弁８１と、窒素ガス配管２１０を配設することで、純度の高い窒素ガスを供給可能な構成となっている。
【００１５】
ここで、エアーフィルター２０は、図１では塵埃とオイルミスト等を除去することを目的として一組で構成しているが、圧縮空気より塵を除去するプレフィルターと圧縮空気より油を除去するミストフィルターとミクロミストフィルターを目的毎に分けて複数組で構成しても構わない。
【００１６】
その場合には、エアーフィルター２０は、上流からプレフィルターとミストフィルターとミクロミストフィルターの三組のフィルターを構成している場合を考えると、一例として上流から最小の大きさが３μと０．１μと０．０１μの異物を捕捉することが出来るものであったり、また別の例として最小の大きさが５μと０．５μと０．０１μの異物を捕捉することが出来るものであったり、究極的には最小の大きさが１〜５μと０．０５〜０．５μと０．０１μ何れかの値の異物を捕捉することが出来るものであったりするような色々なフィルターの構成が考えられる。
【００１７】
更に、エアーフィルター２０やエアーフィルター２０を構成している各フィルターの構造としては、一例として全てのフィルター本体に異物を捕捉するフィルターエレメントを収納しているような構成が考えられる。そして、エアーフィルター２０やエアーフィルター２０を構成している各フィルターからは、露化して溜まったドレン水が排出することが出来るようになっている。尚、ここに述ベた構造に関しては、後で記述するエアーフィルター８０に関しても同様のことが言える。
【００１８】
加えて、このエアーフィルター２０に関しては、一組や三組のフィルターに限る訳ではなく、下流になるに従って捕捉性能が向上するような配置であれば、二組のフィルターでも四組のフィルターでも、それ以上の組数のフィルターの構成でも構わない。
【００１９】
一方、第一熱交換器３０は、蛇管によって構成され、加熱方法として図１では温風ヒータ３１からの温かい風の送風によって加熱しているが、蛇管の外側に蒸気を通したり温水を通したり、蛇管の外側にニクロム線を配設してニクロム線に通電することによって発生した熱で蛇管を加熱すること等、色々な方法が考えられる。
【００２０】
次に、中空糸膜式窒素ガス発生器４０は、ポリエステル製で何千ものストロー状の中空糸を束ねた中空糸膜より形成されていて、中空糸の内側に圧縮空気を通すことで、圧縮空気に含まれているガスが固有に持っている中空糸の膜の透過速度の違いを利用して、圧縮空気中に最も多く含まれている窒素ガスを残存させているのである。
【００２１】
この場合、中空糸膜式窒素ガス発生器４０の直ぐ下流には、中空糸膜式窒素ガス発生器４０を通過する圧縮空気の流量を変更可能に、絞り弁５０を配設している。
【００２２】
尚、図１では、中空糸膜式窒素ガス発生器４０として一組の中空糸膜と絞り弁５０を配設したものしか示していないが、直列にｍ組の中空糸膜と一組の絞り弁を配設し、更にそれ等の直列に配設した集合体を並列にｎ組配設することによって、ｍｎ組の中空糸膜とｎ組の絞り弁を構成する例も考えられる。ここでは、直列に並んだｍ組の中空糸膜を流れる圧縮空気の流量を一組の絞り弁によって変更可能にしているのである。
【００２３】
但し、ｍとｎの値に関しては、１でも２でもそれ以上の数でも構わない。当然、ｍとｎは異なった値でも構わない。また、ｍｎ組の中空糸膜とｎ組の絞り弁の集合体は、図１で考えると圧縮空気配管２０４から分流し窒素ガス配管２０６で合流するようになっている。
【００２４】
結局の所、絞り弁５０を配設することによって、中空糸膜と絞り弁の構成だけでは、具体的には９８〜９９．５％程度の純度の窒素ガスを確保出来るだけである。更に、第一熱交換器３０により圧縮空気を過熱することによって、夏と冬の季節に関係無く定常的に９９．９％程度の純度の窒素ガスを確保出来るようになったのである。
【００２５】
所で、図１で絞り弁５０と酸素吸収装置７０の間に配設されていて窒素ガスを貯蔵する窒素ガスタンク６０に関しては、この位置に限定される必要ではなく、後で記述する酸素吸収装置７０とエアーフィルター８０の間やエアーフィルター８０と開閉弁８１の間に位置させても構わない。
【００２６】
次に、酸素吸収装置７０に関しては、鉄粉と、鉄の酸化の反応を促進するための塩化ナトリウムと活性炭と少量の水と水を保持する水分保持材を充填しているが、これらの充填物に関しては、鉄粉だけの場合、鉄粉に活性炭だけの場合、鉄粉に塩化ナトリウムだけの場合、鉄粉に塩化ナトリウムに活性炭だけの場合、鉄粉に水だけの場合、鉄粉に水に塩化ナトリウムだけの場合、鉄粉に水に活性炭だけの場合、鉄粉に水に塩化ナトリウムに活性炭だけの場合等、色々な変化が考えられる。
【００２７】
この場合、水分保持材に関してはバーミュキュライト等が考えられるが、使用する場合と使用しない場合の両方が考えられる。更に、塩化ナトリウムに関しては塩化カリウムでも塩化カルシウムでも構わない。
【００２８】
尚、一つの例として，重量の割合で鉄粉７８％と塩化ナトリウム８％と活性炭１０％と水分保持材４％の混合品１Ｋｇに水を約５０ｃｃとするのが理想的であるということが出来る。
【００２９】
一方、これらの物質を反応させることによって、発熱し水分が蒸発する。そこで、発熱によって蒸発した水を供給するために、酸素吸収装置７０には、水ポットを水供給配管と手動によって開閉する開閉弁と水供給配管によって接続すること等が考えられる。
【００３０】
ここで、酸素吸収装置７０は、図１では一組の構成となっているが、二組を並列にして構成する場合も考えられる。その理由は、一組目の装置に充填している鉄粉等が劣化した際に充填物を交換する必要が有るが、その間に二組目の装置を使用する目的で配設したものである。従って、一組目を使用する際には、二組目の入口と出口に配設された開閉弁を閉じることで、二組目に窒素ガスが流れないようにする必要が有るし、二組目を使用する場合にも一組目は同様な構成となっている必要がある。
【００３１】
また、エアーフィルター８０に関しては、酸素吸収装置７０で付着した塵埃等を除去するために設けたものである。
【００３２】
尚、開閉弁８１に関しては開閉弁１１も含め、手動でなくても電磁弁によるものや電動弁によるものも考えられる。
【００３３】
本発明による、窒素ガスの製造方法および製造装置は前述したように構成されており、以下に、その動作について詳細に説明する。
【００３４】
先ず、エアーコンプレッサ１０を構成しているモータを作動させると、モータの回転はベルトによってコンプレッサに伝えられ、圧縮空気をタンクに貯蔵するようになっている。
【００３５】
ここで、貯蔵された圧縮空気は、圧縮空気配管２０１と、開閉弁１１と、圧縮空気配管２０２と、エアーフィルター２０と、圧縮空気配管２０３と、第一熱交換器３０と、圧縮空気配管２０４と、中空糸膜式窒素ガス発生器４０と、窒素ガス配管２０５と、絞り弁５０と、窒素ガス配管２０６を経由して窒素ガスタンク６０に送り込まれる。
【００３６】
この場合、開閉弁１１を開放することによってエアーフィルター２０では油や塵等の各種の異物を取り除いた後に、清浄な圧縮空気を第一熱交換器３０に送り込んでいる。
【００３７】
次に、第一熱交換器３０では、圧縮空気を温熱ヒータ等の過熱手段によって過熱している。この場合、加熱手段は、温風ヒータ３１に限定されるものではない。また、加熱温度に関しては、大気の温度に対して１０℃や１５℃高くなるように設定したり、常に４０℃や５０℃になるように設定するようなことが考えられる。
【００３８】
この様に圧縮空気を加熱する理由は、温度の高くなった圧縮空気を中空糸膜式窒素ガス発生器４０に送り込むことによって、中空糸膜式窒素ガス発生器４０におけるより純度の高い窒素ガスの流量の増加が見込めるからである。即ち、圧縮空気を過熱することで、窒素ガスの流量が一定の場合には、より純度の高い窒素ガスが得られ、窒素ガスの純度を一定にした場合には、窒素ガスの流量が増大するためである。
【００３９】
ここで、中空糸膜式窒素ガス発生器４０において窒素ガスを作り出す原理としては、中空糸膜を隔てて内側に圧縮空気を流すと、圧縮空気の成分は内側の高圧側から中空糸膜に溶解し、中空糸膜の中を拡散移動して外側の低圧側に拡散していく。この場合、ガスの種類によって溶解度と拡散の状況が違うため透過速度に差が出る。尚、圧縮空気を構成している成分の透過速度は、透過し易い順に、水・ヘリウムガス・炭酸ガス・酸素ガス・アルゴンガス・一酸化炭素・窒素ガスとなっている。
【００４０】
従って、窒素を約８０％と酸素を約２０％で構成されている圧縮空気を中空糸膜の内側に流すと、窒素より透過速度の速い酸素は早い時点に中空糸膜の内側から外側に出て行くのである。そのために、中空糸膜内側を流れる空気は出口に向かう程酸素が少なくなって、中空糸膜出口からは高濃度の窒素ガスが得られる訳である。
【００４１】
この場合、一つの例として、供給される圧縮空気の圧力を７ｋｇ／ｃｍ^２Ｇとして９９％の窒素ガスを作り出そうとする場合、窒素ガス発生流量比と圧縮空気温度の間には
窒素ガス発生流量比０．９１１．１
圧縮空気温度（℃）１０２５４０
の直線上に示されるように、圧縮空気の温度を上げると窒素ガス発生の流量は増加するという関係があることが確認されている。
【００４２】
この様にして、第一熱交換器３０と中空糸膜式窒素ガス発生器４０と絞り弁５０によって夏と冬の季節に関係無く９９．９％程度の純度を確保した窒素ガスは、窒素ガス配管２０６を経由して窒素ガスタンク６０に送り込まれ貯蔵されているのである。
【００４３】
次に、窒素ガスタンク６０に貯蔵された９９．９％という夏と冬の季節に関係無く一定の純度を確保した窒素ガスは、窒素ガス配管２０７と、酸素吸収装置７０と、窒素ガス配管２０８と、エアーフィルター８０と、窒素ガス配管２０９と、絞り弁８１を経由して窒素ガス配管２１０より高純度の窒素ガスを供給することが可能となっている。
【００４４】
ここで、酸素吸収装置７０では、内部に充填している鉄粉を酸化させることで発熱しながら窒素ガスから酸素を奪い、窒素ガスの純度を更に高めているのである。
【００４５】
その際、反応剤として鉄の酸化の反応を促進するために塩化ナトリウムと活性炭と少量の水と水を保持する水分保持材を使用することで、９９．９９％以上の窒素ガス純度が可能となったのである。従って、水を充填する場合には、発熱によって水が蒸発するので水を追加する必要はある。
【００４６】
尚、反応剤としては、全く添加しなかったり、水または水と水保持剤だけを添加したり、塩化ナトリウムだけを添加したり、塩化ナトリウムと水または水と水保持剤だけを添加したり、活性炭だけを添加したり、活性炭と水または水と水保持剤だけを添加したり、塩化ナトリウムと活性炭と水または水と水保持剤だけを添加したり等色々の変化が考えられる。
【００４７】
最後に、酸素吸収装置７０によってより純度を増した９９．９９％の窒素ガスは、エアーフィルター８０を経由することによって酸素吸収装置７０で付着した塵埃等を完全に除去した後に、開閉弁８１を開くことによって供給可能となっている。
【００４８】
（第二実施例）
図２に見られるように、第二実施例が第一実施例と異なる点は、第一実施例の圧縮空気配管２０３に対し、第二実施例では圧縮空気配管２１５と第二熱交換器９０と圧縮空気配管２１６を配設していることである。
【００４９】
この場合、第二熱交換器９０は酸素吸収装置７０で発生した熱を利用する目的で配設したものである。従って、酸素吸収装置７０における熱の発生状況によっては第一熱交換器３０を配設しない場合も考えられる。また、第一熱交換器３０と第二熱交換器９０の位置に関しては、圧縮空気の流れで見たときに逆に位置させることも考えられる。
【００５０】
尚、動作に関しては、第一実施例の第一熱交換器３０に対し、第二実施例の第二熱交換器９０で発生した熱が第一熱交換器３０に加わった内容と同等になるだけであるので、詳細は省略する。
【００５１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明により、下記のような効果をあげることができる。
【００５２】
第一に、第一熱交換器を設けて圧縮空気を過熱出来るようにすることによって、夏と冬の季節に関係無く純度の高い窒素ガスを安定して作り出すことが容易となった。
【００５３】
第二に、第二熱交換器を設けて圧縮空気を過熱出来るようにすることによって、廃熱を活用して夏と冬の季節に関係無く純度の高い窒素ガスを安定して作り出すことが容易となった。
【００５４】
第三に、加熱に加えて、中空糸膜式窒素ガス発生器と絞り弁と酸素吸収装置を組み合わせることによって、より純度の高い窒素ガスを安定して作り出すことが容易となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の全体を示した図
【図２】別の本願発明の全体を示した図
【符号の説明】
１０・・・・・エアーコンプレッサ
１１・・・・・開閉弁
２０・・・・・エアーフィルター
３０・・・・・第一熱交換器
３１・・・・・温風ヒータ
４０・・・・・中空糸膜式窒素ガス発生器
５０・・・・・絞り弁
６０・・・・・窒素ガスタンク
７０・・・・・酸素吸収装置
８０・・・・・エアーフィルター
８１・・・・・開閉弁
９０・・・・・第二熱交換器
２０１・・・・圧縮空気配管
２０２・・・・圧縮空気配管
２０３・・・・圧縮空気配管
２０４・・・・圧縮空気配管
２０５・・・・窒素ガス配管
２０６・・・・窒素ガス配管
２０７・・・・窒素ガス配管
２０８・・・・窒素ガス配管
２０９・・・・窒素ガス配管
２１０・・・・窒素ガス配管
２１５・・・・圧縮空気配管
２１６・・・・圧縮空気配管

Claims

圧縮空気を加熱した後に、前記圧縮空気より酸素を除去する中空糸膜式窒素ガス発生器（４０）と、前記圧縮空気より酸素を吸収する酸素吸収装置（７０）を経由させたことを特徴とする窒素ガスの製造方法。
前記酸素吸収装置（７０）より発生した熱を、前記圧縮空気を加熱する目的で使用することを特徴とする請求項１に記載の窒素ガスの製造方法。
圧縮空気を加熱する第一熱交換器（３０）と、前記圧縮空気より酸素を除去する中空糸膜式窒素ガス発生器（４０）と、前記圧縮空気の酸素を吸収する酸素吸収装置（７０）を、記載の順に前記圧縮空気が流れるように配設したことを特徴とする窒素ガスの製造装置。
前記圧縮空気の流量を調整する絞り弁（５０）を、前記中空糸膜式窒素ガス発生器（４０）の直後に配設したことを特徴とする請求項３に記載の窒素ガスの製造装置。
前記第一熱交換器（３０）の上流に、前記酸素吸収装置（７０）より発生した熱を利用している第二熱交換器（９０）を配設したことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の窒素ガスの製造装置。