JP2006159168A - 純度の高い窒素ガスを作り出す窒素ガスの製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】酸素ガスを含まない純度の高い窒素ガスを容易かつ安価に製造する方法および装置を提供する。
【解決手段】ガス成分の膜に対する透過量の差を利用してガスを分離するガス分離膜１０に圧縮空気３０１を送り込むことにより酸素含有率の小さい気体２０２を作り出し、この気体に水素ガス２０３を添加してから触媒４１に接触させることによって水素ガスと酸素ガスを反応させ酸素ガスの含有率が０％であって水蒸気と水素ガスを微量含んでいる比較的純度の高い窒素ガス２０５にし、さらにガス分離膜５０，６０を経由することにより水蒸気と水素富化ガス３０３，３０４を排除して、純度の高い窒素ガス３０５を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、純度の高い窒素ガスを作り出す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、金属加工や、特に銅パイプに関係する空調配管のハンダ付けや、射出成形に際してのやけ防止や、食品の貯蔵に使用する等水素ガスは少し含んでいるが酸素ガスの無い純度の高い窒素ガスを容易に安価に作り出す技術に関するものである。

従来、純度の高い窒素ガスを作り出す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、ＰＳＡ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。

その中で、ＰＳＡ方式は、Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ、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、圧縮空気から酸素ガス等を吸着することで窒素ガスを分離する方式である。 この場合、ヒートレス・ドライヤ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、窒素ガス純度は通常９９〜９９．９９９９％程度であった。

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に対する透過量の差を利用して窒素ガスを分離する方式である。 この場合には、ＰＳＡ方式よりも小形でメンテナンス負荷も小さい反面、窒素ガス純度は９５〜９９．９％程度であるため、高純度のニーズに対しては適していなかった。

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、酸素は分離出来る。 この場合、９９．９９９％以上の高純度の窒素ガスが得られるが、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他、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。

しかしながら、このような従来の、純度の高い窒素ガスを作り出す窒素ガスの製造方法および製造装置に関しては、以下に示すような課題があった。

まず、ＰＳＡ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。

次に、膜分離方式の場合、窒素ガス純度は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。

最後に、深冷分離方式の場合、９９．９９９％以上の高純度の窒素ガスが得られるが、大規模な設備が必要であった。

本発明は、純度の高い窒素ガスを作り出す窒素ガスの製造方法に於いて、各ガス成分の膜に対する透過量の差を利用してガスを分離するガス分離膜１０に圧縮空気３０１を送り込むことにより酸素富化ガス３０２を排除しながらも酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体を作り出し、次に水素ガスを添加して混合ガスとし、前記混合ガスを触媒４１に接触させることで前記混合ガスの中の前記水素ガスと酸素ガスを反応させ水を作り出して前記混合ガスの中に含まれた前記酸素ガスの含有が０％の水蒸気の多い水素ガスを微量含んでいる比較的純度の高い窒素ガスにし、前記水蒸気の多い水素ガスを微量含んでいる比較的純度の高い窒素ガスがガス分離膜５０を経由することにより水蒸気の多い水素富化ガス３０３を排除することを特徴とし、更には、更に一組のガス分離膜６０を経由させることにより水蒸気の多い水素富化ガス３０４を排除して純度の高い窒素ガス３０５を作り出すことを特徴とし、更には、前記混合ガスの中の前記酸素ガスの濃度は、前記ガス分離膜１０からの前記酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体の流量を調整することで変更可能であり、前記純度の高い窒素ガス３０５の濃度は、その流量を調整することで変更可能であることを特徴とし、更には、前記触媒４１は、アルミナを母材とし、その表面にオングストローム単位のＰｄを付着させたものであることを特徴とし、更には、前記混合ガスを前記触媒４１に接触させた後に前記混合ガスの中の前記酸素ガスと前記水素ガスの濃度を測定し、前記混合ガスを作る前の前記水素ガスの流量を調整することによって酸素ガスの含有を０％にし且つ前記水素ガスの含有を設定された値とするように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のである。

また本発明は、純度の高い窒素ガスを作り出す窒素ガスの製造装置に於いて、酸素富化ガス３０２を排除し圧縮空気３０１より酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体を作り出すガス分離膜１０と、水素ガスを送り込むことが出来る水素ガス発生装置３０と、前記酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体と前記水素ガスを混合して混合ガスを作り出す混合槽２０と、前記混合ガスの前記酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体に含まれている酸素ガスと前記水素ガスから水を作り出す反応を促進させる触媒４１を収納した触媒槽４０と、水蒸気の多い水素富化ガス３０３を排除して純度の高い窒素ガスを作り出すガス分離膜５０と、水蒸気の多い水素富化ガス３０４を排除して純度の高い窒素ガス３０５を作り出すガス分離膜６０を配設したことを特徴とし、更には、前記ガス分離膜２０，５０、６０が同一のものであることを特徴とし、更には、各ガスの流量を変更することが可能な可変絞り弁１１、３２、５１、６１を配設したことを特徴とし、更には、前記水素ガス発生装置３０は、水素ガスボンベ３０によるものであり、前記触媒４１は、最長部が２〜４ｍｍのずんぐりとした大きさで平均化した粒のアルミナを母材とし、その表面にオングストローム単位のＰｄを付着させたものであることを特徴とし、更には、前記触媒槽４０の下流に、酸素ガスの濃度を測定する酸素濃度計４３と水素ガスの濃度を測定する水素濃度計４５を位置させ、前記酸素濃度計４３からの酸素ガス濃度信号２５１の受信と、前記水素濃度計４５からの水素ガス濃度信号２５２の受信と、水素ガスの０％に近い値の設定と、前記可変式絞り弁３２に対し前記酸素ガス濃度信号２５１の値が０％で前記水素ガス濃度信号２５２の値が前記水素ガスの０％に近い値の設定より大きい値の場合には流量減少の微調整指示信号２５３の送信を行なう制御装置８０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のである。

以上の説明から明らかなように、本発明によって、以下に示すような効果をあげることが出来る。

第一に、ガス分離膜からの酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体に水素ガスを添加して混合ガスとし、その混合ガスを触媒に接触させることで混合ガスの中の水素ガスと酸素ガスを反応させ水を作り出して混合ガスの中に含まれた酸素ガスの含有が０％の水蒸気の多い水素ガスを微量含んでいる比較的純度の高い窒素ガスにし、水蒸気の多い水素ガスを微量含んでいる比較的純度の高い窒素ガスがガス分離膜を経由することにより水蒸気の多い水素富化ガスを排除することで、純度の高い窒素ガスを作り出すことが可能になった。 しかも、安価で容易に達成出来た。

第二に、装置全体の最下流にガス分離膜を位置させることで、しかも複数位置させることで、このガス分離膜が透過しやすい気体が水蒸気や水素ガスである性質を利用して不純物としての水素ガスや水蒸気を容易に除去することにより、純度の高い窒素ガスを作り出すことが可能となった。

第三に、複数箇所に可変式絞り弁を設け、各々の流量を個々に調整することで、常に濃度の高い窒素ガスを求める中で、色々な角度から状況に応じた流量と濃度の窒素ガスを選択することが可能となった。

第四に、複数箇所にガス分離膜を設けているが、同一の物を使用することで、色々な面での管理の複雑さを排除出来るようになった。

以下、本発明による純度の高い窒素ガスを作り出す窒素ガスの製造方法および製造装置の実施の形態を、図面と共に詳細に説明する。
ここで、図１は、本発明の分離膜による場合の全体図である。

図１に見られるように、３０１は圧縮空気であり、具体的に図示していないが、エアーコンプレッサによって作られている。 従って、上流にはエアーコンプレッサが位置していると考えて良い。

ここで、圧縮空気３０１は、圧縮空気配管２０１を経由してガス分離膜１０に流入させて、酸素富化ガス３０２を分離除去することで酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体を作り出し窒素ガス配管２０２を経由して混合槽２０に送り込むようになっている。 この場合、水素ガス発生装置３０でもある水素ガスボンベ３０からは、水素ガス配管２０３を経由して混合槽２０に水素ガスも送り込まれるようになっているのである。

そして、混合槽２０に於いては、酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体に水素ガスを添加することで作り出された混合ガスは、混合ガス配管２０４を経由して触媒槽４０に送り込まれ、そこで作り出された水蒸気の多い水素ガスを微量含んでいる比較的純度の高い窒素ガスは、窒素ガス配管２０５を経由してガス分離膜５０に送り込まれて、更に窒素ガス配管２０６を経由してガス分離膜６０に送り込まれ、ガス分離膜５０、６０では水蒸気の多い水素富化ガス３０３、３０４を分離除去することで、最終的には窒素ガス配管２０７から純度の高い窒素ガス３０５を送り出すことが出来るようになっているのである。

所で、ガス分離膜１０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ものより構成されたものであり、その中空糸の内部に圧縮空気等の各種ガスが混合した気体を通すことで、それぞれのガスが固有に持っている中空糸の膜の透過スピードの違いを利用して、空気中に最も多く含まれている窒素ガスを残存させることで分離することが出来るものである。

この場合、圧縮空気を構成している各ガスの成分が、ガス分離膜１０である中空糸の膜に対する（放出という視点から見た）透過量の差を利用して、早く放出するガスと放出しにくいガスがある中で、放出しにくくて残ったガスの大半が窒素ガスということになるのである。 特に、中空糸の膜がポリエステル製の場合には、水蒸気が一番透過しやすく、以下水素ガスやヘリウムガスが透過しやすく、最後に酸素ガスとアルゴンガスと窒素ガスが一番透過しにくく、その中でも窒素ガスが一番透過しにくいガスということで、その様な理由から酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体が残存し作り出される訳である。

従って、ガス分離膜１０を経由した圧縮空気は、アルゴンガスをわずかに含んだ酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体が窒素ガス配管２０２に送り込まれるようになっている。 そうして、ガス分離膜１０からは、酸素ガスを中心とする酸素富化ガス３０２が排除されるようになっているのである。

一方、圧縮空気がガス分離膜１０を経由する際、温度が変化する場合には、温度が高い程酸素ガスを分離する性能は向上して窒素ガスの純度が高くなり、温度が変化しない場合には、圧縮空気の圧力と時間、即ち流量によって、発生する窒素ガスの純度は左右されるのである。 よって、具体的に図示してはいないが、上流で圧縮空気を加熱する装置を設けることは、窒素ガスと酸素ガスの分離の性能を向上させる上で非常に有効な方法であると言える。

尚、中空糸の膜としては、ポリエステルの他に、ポリイミドやポリオレフィンやポリプロピレン等の樹脂も考えられる。

所で、窒素ガス配管２０２の途中には、流れる気体の流量を変えることが出来る可変式絞り弁１１と、流れる気体の流量を測定することが出来る流量計１２と、窒素ガス配管２０２を流れる酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体の酸素濃度を測定する酸素濃度計配管２１１と、流れる気体の圧力を測定することが出来る圧力計１５が記載の順に位置させている。 当然のことながら、可変式絞り弁１１を絞って酸素富化ガス３０２の流量を増加させると、窒素ガス配管２０２を流れる酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体の窒素ガスの純度は上昇する。

この場合、酸素濃度計配管２１１には、その途中に手動によって開閉可能な開閉弁１３が、端末には酸素濃度計１４が接続して、窒素ガス配管２０２の酸素ガス濃度が測定可能となっているのである。

また、水素ガス配管２０３には、その途中に手動によって開閉可能な開閉弁３６と、混合槽２０の側から端末の側に気体が逆流するのを防止する逆止弁３５と、水素ガスの圧力を測定する圧力計３４と、水素ガスの流量を測定する流量計３３と、水素ガスの流量を調整することが可能な可変式絞り弁３２と、気体を減圧することが可能な減圧弁３１が、また端末には水素ガス発生装置３０である水素ガスボンベ３０が接続し、水素ガスが供給可能となっている。

尚、水素ガス発生装置３０に関しては、図１に於いては水素ガスボンベ３０によるものを示しているが、電気分解による水素ガス発生装置３０を使用しても、水素吸蔵合金による水素ガス発生装置３０を使用しても、その他の水素ガス発生装置３０を使用しても何等構わない。

ここで、混合槽２０では、窒素ガス配管２０２からの酸素ガスが僅かに混入した９７〜９９．９％程度の酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体と、水素ガスが合流し混合ガスを作り出している。

この場合、混合槽２０の構造としては、酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体と水素ガスが十分に攪拌された状態で混合出来る構造のものであれば、どのような構造のものでも構わない。 例えば、両方の入口の流入する角度を同じ方向に下側にぶつかり合うように対向させたり、何れか一方を円周に沿って螺旋状に流入させることで攪拌する等、色々な構造が考えられる。

一方、触媒槽４０には触媒４１が充填されていて、混合ガスが通過すると数１に見られる反応を行ないながら反応熱を発生する。 この場合、触媒４１としては、１例として大きさが３．２ｍｍφ×３．２ｍｍＨである円筒状のアルミナの表面にオングストローム単位のＰｄを付着させたものがある。

数１

Ｏ_２ ＋ ２Ｈ_２ → ２Ｈ_２Ｏ ＋ 反応熱

但し、触媒４１の大きさに関しては、実際に使用しているほんの一例を示したもので、この物に限定される訳では無いが、２〜４ｍｍ位のものが望ましい。 また、形状に関しても、円筒に限らず球でも構わないし、最長部が２〜４ｍｍのずんぐりとした大きさで平均化した粒であればどのような形でも構わない。 従って、触媒槽４０の下流に在る窒素ガス配管２０５には、水蒸気の多い水素ガスを微量含んでいる比較的純度の高い窒素ガスが流れて来ることになる。

ここで、窒素ガス配管２０５の途中には、酸素濃度計配管２１２と、水素濃度計配管２１３と、流れる流体の圧力を測定することが出来る圧力計４６が接続している。 この場合、酸素濃度計配管２１２には、その途中に手動によって開閉可能な開閉弁４２が、その先には酸素濃度計４３が接続して、窒素ガス配管２０５の酸素ガス濃度が測定可能となっている。 また、水素濃度計配管２１３には、その途中に手動によって開閉可能な開閉弁４４が、その先には水素濃度計４３が接続して、窒素ガス配管２０５の水素ガス濃度が測定可能となっている。

更に、酸素濃度計４３と水素濃度計４５の両者は制御装置８０に接続していて、制御装置８０に酸素ガス濃度信号２５１と水素ガス濃度信号２５２を送ることが可能となっている。 加えて、可変式絞り弁３２は制御装置８０に接続していて、制御装置８０から微調整指示信号２５３を受け、それに応じた作動をすることが可能となっている。 また、制御装置８０は、水素ガスの０％に近い値の設定や、各種の数値の比較を可能としているのである。

一方、窒素ガス配管２０５に接続しているガス分離膜５０は、ガス分離膜１０と同じ構造であり機能を持っている。 但し、ガス分離膜５０は、水蒸気の多い水素富化ガス３０３を中心に除去することを目的にしたものであって、各ガスの成分がガス分離膜５０である中空糸の膜に対する（放出という視点から見た）透過量の差を利用して、早く放出するガスと放出しにくいガスがある中で、放出しにくくて残ったガス大半が純度の高い窒素ガスということになるのである。 そして、この純度の高い窒素ガスが、窒素ガス配管２０６に送り出されるのである。

特に、中空糸の膜がポリエステル製の場合には、水蒸気が一番透過しやすく、以下水素ガスやヘリウムガスが透過しやすく、最後に酸素ガスとアルゴンガスと窒素ガスが一番透過しにくく、その中でも窒素ガスが一番透過しにくいガスということで残存する訳であり、この場合には、水蒸気の多い水素富化ガス３０３に見られるように水蒸気と水素ガスを除去することを目的としていて、中空糸の膜が一番理想的に分離することが出来ると言えるのである。

ここで、窒素ガス配管２０６の途中には、ガス分離膜５０から送り出されて来る純度の高い窒素ガスの流量を調整することが出来る可変式絞り弁５１が配設されている。 従って、可変式絞り弁５１を絞ることで、水蒸気の多い水素富化ガス３０３の排出を多くして純度の高い窒素ガスを作り出すことも可能となるのである。

また、窒素ガス配管２０６に接続しているガス分離膜６０も、ガス分離膜１０と同じ構造であり機能を持っている。 但し、ガス分離膜６０は、水蒸気の多い水素富化ガス３０４を中心に除去することを目的にしたものであって、各ガスの成分がガス分離膜６０である中空糸の膜に対する（放出という視点から見た）透過量の差を利用して、早く放出するガスと放出しにくいガスがある中で、放出しにくくて残ったガス大半が純度の高い窒素ガス３０５ということになるのである。 そして、この純度の高い窒素ガス３０５が、窒素ガス配管２０７に送り出されるのである。

最後に、ガス分離膜６０からは、純度の高い窒素ガス３０５が窒素ガス配管２０７より送り出されるようになっているのである。そして、その窒素ガス配管２０７の途中には、ガス分離膜６０から送り出されて来る純度の高い窒素ガス３０５の濃度と流量を調整することが出来る可変式絞り弁６１が配設されていて、更に水素濃度計配管２１４が接続していて、その途中には手動によって開閉可能な開閉弁６２が位置し、その先の端末には水素濃度計６３が接続して、窒素ガス配管２０７の水素ガスの濃度が測定可能となっているのである。

尚、本発明による、純度の高い窒素ガスを作り出す窒素ガスの製造装置に於いては、全てのガス分離膜１０、５０、６０を、管理の点や安定した品質を確保する意味から三者を同一のものにすることが考えられるし機能上も全く構わない。 ところで、ガス分離膜１０に関しては、分離された酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体に対して、期待される純度に対応した流量によっては複数組並列に配設することも考えられる。

また、ガス分離膜１０に流入する圧縮空気３０１を加熱したり、触媒槽４０で作り出された温度の高い湿った比較的純度の高い窒素ガスを冷却することも、効率を高める上では非常に大切な事と考えられる。

本発明による、純度の高い窒素ガスを作り出す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、その動作について説明する。

先ず、最上流のエアーコンプレッサによって作り出された圧力７〜８ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧縮空気を、圧縮空気配管２０１からガス分離膜１０に送り込む。 すると、ガス分離膜１０に接続している窒素ガス配管２０２には、酸素濃度計１４で確認すると純度が９９％程度の酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体が流れていることを確認することが出来る。 この場合、不純ガスの大半は酸素ガスであり、ごく少量のアルゴンガスを含んでいるものであると言う事が出来る。 この場合、ガス分離膜１０での圧力損失は０．１ｋｇｆ／ｃｍ^２程度であるが、状況によっては変化する。

尚、ガス分離膜１０による窒素ガス濃度は９９％程度であるということにこだわる必要は無く、ガス分離膜１０から流れ出る酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体の流量を調整することによっては９７％、９８％、９９．９％等色々の濃度のものにすることが考えられる。 当然のことながら、窒素ガス濃度が高い程酸素ガスの濃度は低く、以降に述べる触媒槽４０での水を作る反応で水素ガスの量が少なくて済むことになる。

一方、水素ガス発生装置３０からは、圧力８〜９ｋｇｆ／ｃｍ^２程度の水素ガスを供給することで酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体と混合槽２０で合流させ、窒素ガスと酸素ガスと水素ガスを中心とする混合ガスを作ることが出来るように触媒槽４０に送り込むようにしている。

この場合、酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体より水素ガスの方の圧力を高くしている理由は、窒素ガス配管２０２を流れる酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体に水素ガス発生装置３０からの水素ガスが混合槽２０で合流して混合ガスとするためには、当然のことながら圧倒的に流量の少ない水素ガスの圧力を高くしなければ円滑に合流しないためなのである。

ところで、触媒槽４０に於いては、混合ガスを通過させることによって、触媒４１の働きで混合ガスに含まれている酸素ガスと水素ガスから水を作り出す反応を容易に達成することが出来るのである。 その際、反応に際して、かなりの反応熱を発生することは既に述べた通りである。 従って、発生した水は、水蒸気となって窒素ガス配管２０５に流れていくのである。

この場合、理論的には同じ圧力で同じ温度の酸素ガスと水素ガスを反応させた場合には、体積比で１：２の割合で反応させると両者過不足なく完全に水となることは一般的に知られていることである。

ここで、触媒槽４０よりの窒素ガスは、以下に示す様に、水素ガス発生装置３０から混合槽２０に供給する水素ガスの量が、ガス分離膜１０からの酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体の酸素ガスの量に対して、２倍より多い量を供給することで、水蒸気の多い水素ガスを微量含んでいる比較的純度の高い窒素ガスとなっているのである。

尚、触媒槽４０の下流では、酸素濃度計４３によって酸素ガスの濃度を測定し、その結果を酸素ガス濃度信号２５１として、水素濃度計４５によって水素ガスの濃度を測定し、その結果を水素ガス濃度信号２５２として制御装置８０に送っているのである。 一方、制御装置８０には水素ガスの０％に近い値の設定がされていて、酸素ガス濃度信号２５１の値と比較してその値が０％で且つ水素ガス濃度信号２５２の値と比較して水素ガスの０％に近い値の設定より大きい値の場合には、流量減少の微調整指示信号２５３を水素ガス配管２０３の途中に位置している可変式絞り弁３２に送って水素ガスの供給量を減少させているのである。

そして、酸素ガス濃度信号２５１の値と比較してその値が０％で且つ水素ガス濃度信号２５２の値と比較して水素ガスの０％に近い値の設定より小さい値の場合と、酸素ガス濃度信号２５１の値と比較してその値が０％以上の値の場合には、流量増加の微調整指示信号２５３を水素ガス配管２０３の途中に位置している可変式絞り弁３２に送って水素ガスの供給量を増加させているのである。

当然のことながら、水素ガスの０％に近い値の設定に関しては、特定の値に限定される訳ではなく幅を持った値でも構わない。 その場合、酸素ガス濃度信号２５１の値と比較してその値が０％で且つ水素ガス濃度信号２５２の値と比較して水素ガスの０％に近い値の設定の間に入っている値の場合には、水素ガスの流量を増減させない流量保持の微調整指示信号２５３を水素ガス配管２０３の途中に位置している可変式絞り弁３２に送って水素ガスの供給量を保持させているのである。

従って、この場合の窒素ガス配管２０５を流れる窒素ガスには、不純物として酸素ガスを含んでいない水蒸気の多い水素ガスを微量含んでいる比較的純度の高い窒素ガスである為に窒素ガス配管２０５の下流には水蒸気と水素ガスを取り除くガス分離膜５０、６０を接続することが大切なことになる訳である。

何れにしても、窒素ガス配管２０５の途中の位置に配設された、酸素濃度計４３と水素濃度計４５によって酸素ガスや水素ガスの濃度を確認しながら、触媒４１による触媒槽４０に於ける反応で酸素ガスの濃度が０％になるように、且つ水素ガスの濃度が０％に近い値になるように水素ガスの流量を調整し、最後にガス分離膜５０、６０で水蒸気の多い水素富化ガス３０３、３０４を取り除くことにより、９９．９９９９％の窒素ガス濃度も十分達成することが可能なのである。

その他にも、酸素ガスを微量残して水素ガスの濃度を完全に０％にすることも可能である。 しかしながら、食品の貯蔵等に於いて窒素ガスを使用する場合には、酸素ガスが０％でさえあれば水素ガスがわずかに含まれていても問題ないということから、酸素ガスの濃度が０％で水素ガスがわずかに存在する様な流量調整をすることは十分に意味がある。そしてそれは、割合容易に達成出来るのである。

その結果として、酸素ガスの濃度が０％で９９．９９９９％の窒素ガス濃度のものが達成したのである。

以下、実施例により本発明を更に具体的に説明する。 この場合には、特にガス分離膜５０、６０によって、いかに純度の高い窒素ガス３０５が作り出されたかを、表１に示したものである。

ここに、窒素ガス配管２０５に、水蒸気の多い水素ガスを微量含んでいる比較的純度の高い窒素ガスが流れて来る条件を記載する。 先ず、エアーコンプレッサによって作り出された流量２１．４〜２７．７ｍ^３／ｈｒで圧力７．５ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧縮空気を、ガス分離膜１０に送り込むと、純度が９９％の酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体が流量６〜７．７６ｍ^３／ｈｒで流れて来る。 そこで、混合槽２０で水素ガス発生装置からの圧力８．５ｋｇｆ／ｃｍ^２の水素ガスを混合し、その混合気体を触媒槽４０で反応させることによって水を発生させた混合気体が、窒素ガス配管２０５に流れて来るのである。 尚、ガス分離膜１０と混合槽２０と触媒槽４０の圧力損失に関しては、０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２程度と考えている。

以下、表１には、窒素ガス配管２０５で流れている水蒸気の多い水素ガスを微量含んでいる比較的純度の高い窒素ガスの状況を、二組のガス分離膜５０、６０を経由した後の、窒素ガス配管２０７での純度の高い窒素ガス３０５の状況を示したものである。 但し、表１の数値に関してはほんの１例を示したものであり、実態としては可変式絞り弁１１、３２、５１、６１の調整によって流量や濃度は自由に変更出来るものであり、一つの実施例を示したものであって本発明はこの実施例にまた数値に限定されるものでは無い。

本発明の分離膜による場合の全体図

符号の説明

１０・・・・・・・ガス分離膜
１１・・・・・・・可変式絞り弁
１２・・・・・・・流量計
１３・・・・・・・開閉弁
１４・・・・・・・酸素濃度計
１５・・・・・・・圧力計
２０・・・・・・・混合槽
３０・・・・・・・水素ガスボンベ（水素ガス発生装置）
３１・・・・・・・減圧弁
３２・・・・・・・可変式絞り弁
３３・・・・・・・流量計
３４・・・・・・・圧力計
３５・・・・・・・逆止弁
３６・・・・・・・開閉弁
４０・・・・・・・触媒槽
４１・・・・・・・触媒
４２・・・・・・・開閉弁
４３・・・・・・・酸素濃度計
４４・・・・・・・開閉弁
４５・・・・・・・水素濃度計
４６・・・・・・・圧力計
５０・・・・・・・ガス分離膜
５１・・・・・・・可変式絞り弁
６０・・・・・・・ガス分離膜
６１・・・・・・・可変式絞り弁
６２・・・・・・・開閉弁
６３・・・・・・・水素濃度計
８０・・・・・・・制御装置
２０１・・・・・・圧縮空気配管
２０２・・・・・・窒素ガス配管
２０３・・・・・・水素ガス配管
２０４・・・・・・混合ガス配管
２０５・・・・・・窒素ガス配管
２０６・・・・・・窒素ガス配管
２０７・・・・・・窒素ガス配管
２１１・・・・・・酸素濃度計配管
２１２・・・・・・酸素濃度計配管
２１３・・・・・・水素濃度計配管
２１４・・・・・・水素濃度計配管
２５１・・・・・・酸素ガス濃度信号
２５２・・・・・・水素ガス濃度信号
２５３・・・・・・微調整指示信号
３０１・・・・・・圧縮空気
３０２・・・・・・酸素富化ガス
３０３・・・・・・水蒸気の多い水素富化ガス
３０４・・・・・・水蒸気の多い水素富化ガス
３０５・・・・・・純度の高い窒素ガス

Claims (10)

1. 純度の高い窒素ガスを作り出す窒素ガスの製造方法に於いて、各ガス成分の膜に対する透過量の差を利用してガスを分離するガス分離膜（１０）に圧縮空気（３０１）を送り込むことにより酸素富化ガス（３０２）を排除しながらも酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体を作り出し、次に水素ガスを添加して混合ガスとし、前記混合ガスを触媒（４１）に接触させることで前記混合ガスの中の前記水素ガスと酸素ガスを反応させ水を作り出して前記混合ガスの中に含まれた前記酸素ガスの含有が０％の水蒸気の多い水素ガスを微量含んでいる比較的純度の高い窒素ガスにし、前記水蒸気の多い水素ガスを微量含んでいる比較的純度の高い窒素ガスがガス分離膜（５０）を経由することにより水蒸気の多い水素富化ガス（３０３）を排除することを特徴とする純度の高い窒素ガスを作り出す窒素ガスの製造方法。
2. 更に一組のガス分離膜（６０）を経由させることにより水蒸気の多い水素富化ガス（３０４）を排除して純度の高い窒素ガス（３０５）を作り出すことを特徴とする請求項１に記載の純度の高い窒素ガスを作り出す窒素ガスの製造方法。
3. 前記混合ガスの中の前記酸素ガスの濃度は、前記ガス分離膜（１０）からの前記酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体の流量を調整することで変更可能であり、前記純度の高い窒素ガス（３０５）の濃度は、その流量を調整することで変更可能であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の純度の高い窒素ガスを作り出す窒素ガスの製造方法。
4. 前記触媒（４１）は、アルミナを母材とし、その表面にオングストローム単位のＰｄを付着させたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の純度の高い窒素ガスを作り出す窒素ガスの製造方法。
5. 前記混合ガスを前記触媒（４１）に接触させた後に前記混合ガスの中の前記酸素ガスと前記水素ガスの濃度を測定し、前記混合ガスを作る前の前記水素ガスの流量を調整することによって酸素ガスの含有を０％にし且つ前記水素ガスの含有を設定された値とするようにしたことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の純度の高い窒素ガスを作り出す窒素ガスの製造方法。
6. 純度の高い窒素ガスを作り出す窒素ガスの製造装置に於いて、酸素富化ガス（３０２）を排除し圧縮空気（３０１）より酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体を作り出すガス分離膜（１０）と、水素ガスを送り込むことが出来る水素ガス発生装置（３０）と、前記酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体と前記水素ガスを混合して混合ガスを作り出す混合槽（２０）と、前記混合ガスの前記酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体に含まれている酸素ガスと前記水素ガスから水を作り出す反応を促進させる触媒（４１）を収納した触媒槽（４０）と、水蒸気の多い水素富化ガス（３０３）を排除して純度の高い窒素ガスを作り出すガス分離膜（５０）と、水蒸気の多い水素富化ガス（３０４）を排除して純度の高い窒素ガス（３０５）を作り出すガス分離膜（６０）を配設したことを特徴とする純度の高い窒素ガスを作り出す窒素ガスの製造装置。
7. 前記ガス分離膜（２０，５０、６０）が同一のものであることを特徴とする請求項６に記載の純度の高い窒素ガスを作り出す窒素ガスの製造装置。
8. 各ガスの流量を変更することが可能な可変絞り弁（１１、３２、５１、６１）を配設したことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の純度の高い窒素ガスを作り出す窒素ガスの製造装置。
9. 前記水素ガス発生装置（３０）は、水素ガスボンベ（３０）によるものであり、前記触媒（４１）は、最長部が２〜４ｍｍのずんぐりとした大きさで平均化した粒のアルミナを母材とし、その表面にオングストローム単位のＰｄを付着させたものであることを特徴とする請求項６ないし請求項８のいずれか１項に記載の純度の高い窒素ガスを作り出す窒素ガスの製造装置。
10. 前記触媒槽（４０）の下流に、酸素ガスの濃度を測定する酸素濃度計（４３）と水素ガスの濃度を測定する水素濃度計（４５）を位置させ、前記酸素濃度計（４３）からの酸素ガス濃度信号（２５１）の受信と、前記水素濃度計（４５）からの水素ガス濃度信号（２５２）の受信と、水素ガスの０％に近い値の設定と、前記可変式絞り弁（３２）に対し前記酸素ガス濃度信号（２５１）の値が０％で前記水素ガス濃度信号（２５２）の値が前記水素ガスの０％に近い値の設定より大きい値の場合には流量減少の微調整指示信号（２５３）の送信を行なう制御装置（８０）を配設したことを特徴とする請求項８または請求項９に記載の純度の高い窒素ガスを作り出す窒素ガスの製造装置。

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