JP2007277028A - 高純度窒素ガスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】窒素濃度を高く、かつ製造量を向上できる高純度窒素ガスの製造方法を提供する。
【解決手段】吸着工程と、精製工程と、除湿工程と、再生工程とを備えている。吸着工程は、空気中の酸素を吸着剤により吸着させる。精製工程は、吸着工程後の第１ガス中に含有されている残存酸素を、水素と反応させて水分に変えることにより、酸素を除去する。除湿工程は、精製工程後の第２ガス中から、水分が除去された高純度窒素ガスと除去された水分を含有するパージガスとを分離する。再生工程は、除湿工程後のパージガスを用いて、吸着剤を再生する再生工程とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、高純度窒素ガスの製造方法に関し、たとえば効率良く高純度の窒素ガスを製造する方法に関する。

従来、空気から窒素ガスを分離する手段として、圧力変動吸着方式（ＰＳＡ：Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）の分離方法がある。ＰＳＡ法を利用したＰＳＡ装置は、吸着剤を充填した吸着塔に加圧した空気を供給して、空気中の酸素分子を吸着剤に吸着させ、吸着されなかった窒素ガスを分離して、窒素ガスを得ることができる。そして、吸着された酸素分子は吸着塔圧力を減圧することにより、容易に脱着させることができる。このようなＰＳＡ法は、容易に窒素ガスを分離する方法として様々な分野で使用されている。ＰＳＡ装置では、残存酸素ガス濃度が１０００ｐｐｍ以下、すなわち９９．９％以上の高純度の窒素ガスを効率よく製造できる。

しかし、さらに高純度の窒素ガスを製造するためには、ＰＳＡ法のみでは難しい。そのため、残存する酸素を水素と結合させて残存酸素濃度を減少させる精製装置をさらに使用して、高純度の窒素ガスを製造している窒素ガスの製造方法が特開２００５−３２０２２１号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１に開示の窒素ガスの製造方法では、ＰＳＡ法により酸素を除去し、残存する酸素と水素とを水蒸気に反応させて、水蒸気を除去している。特許文献１に開示の窒素ガスの製造方法によれば、９９．９９９％以上の窒素ガス濃度を可能としている。

また、残存する酸素を水素と反応させて水に精製する場合、窒素ガス中に存在する精製される水を除去するための除去装置としては、たとえば膜式除湿装置やＰＳＡ式除湿装置などが挙げられる。
特開２００５−３２０２２１号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示の窒素ガスの製造方法では、精製装置で反応してなる水蒸気を冷却するために大きな電力が必要であるという問題がある。

また、ＰＳＡ式除湿装置を用いる場合には、窒素ガス中の水を容易に除去して窒素ガス中の水分の濃度を低減できるが、機能上、除去する際に窒素ガスの一部を大気に排出する必要がある。そのため、供給される空気に対して製造される窒素ガスは７〜８割程度しか回収できず、回収率が悪いという問題がある。また、ＰＳＡ式除湿装置は大きくて複雑であり、高価であるという問題もある。

さらに、膜式除湿装置は、設備が小さく簡便であるが、ＰＳＡ式除湿装置と同様に機能上、水分を除去する際に窒素ガスの一部を大気に排出する必要があるため、製造される窒素ガスの回収率が悪い。そのため、製造できる高純度窒素ガスの量が少ないという問題がある。

それゆえ本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、窒素濃度を高く、かつ製造量を向上できる高純度窒素ガスの製造方法を提供することである。

本発明にしたがった高純度窒素ガスの製造方法は、吸着工程と、精製工程と、除湿工程と、再生工程とを備えている。吸着工程は、空気中の酸素を吸着剤により吸着させる。精製工程は、吸着工程後の第１ガス中に含有されている残存酸素を、水素と反応させて水分に変えることにより、酸素を除去する。除湿工程は、精製工程後の第２ガス中から、水分が除去された高純度窒素ガスと除去された水分を含有するパージガスとを分離する。再生工程は、除湿工程後のパージガスを用いて、吸着剤を再生する再生工程とを備える。

本発明の高純度窒素ガスの製造方法によれば、高濃度の窒素ガスを含有するパージガスで吸着剤を再生して、従来の製造工程における系外に捨てていたパージガスを再利用している。吸着剤の再生に用いるガスは、水分を含んでいても吸着剤の再生にあまり影響しない一方、高濃度の窒素ガスを含有していると吸着剤の再活性化である再生効率が向上する。そのため、パージガスで吸着剤を再生することにより、吸着剤の再生効率を向上でき、吸着工程での酸素の除去の能力が向上する。よって、窒素濃度が高く、かつ製造量を向上できる高純度窒素ガスを製造できる。

上記高純度窒素ガスの製造方法において好ましくは、吸着工程は、圧力変動吸着装置で行なわれ、除湿工程は、膜式除湿装置で行なわれる。

これにより、吸着工程では、より多く酸素を除去して製造する窒素濃度をより高くできる。また、除湿工程では、製造コストを低減できる。

上記高純度窒素ガスの製造方法において好ましくは、再生工程では、減圧ポンプによりパージガスを吸着剤に供給する工程を含む。これにより、パージガスを容易に吸着剤に供給できる。

上記高純度窒素ガスの製造方法において好ましくは、吸着工程と再生工程とを同時に実施する。これにより、これにより、吸着剤が充填されている１以上の吸着装置で吸着工程を実施しながら、吸着剤が充填されている他の１以上の吸着装置で再生工程を実施できる。そのため、高純度窒素ガスの製造量を多くできる。

上記高純度窒素ガスの製造方法において好ましくは、再生工程は、逆止弁により再生工程が実施されている吸着剤にパージガスを供給する工程を含む。

吸着工程が実施されている吸着剤が充填されている吸着装置よりも再生工程が実施されている吸着剤が充填されている吸着装置の方が内部の圧力が高い。そのため、逆止弁により、パージガスを再生工程が実施されている吸着装置に容易に供給できる。

本発明の高純度窒素ガスの製造方法によれば、高濃度の窒素ガスを含有するパージガスで吸着剤を再生しているため、吸着剤の再生効率を向上できる。よって、窒素濃度が高く、かつ製造量を向上できる高純度窒素ガスを製造できる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付しその説明は繰り返さない。

図１は、本発明の実施の形態における高純度窒素ガスの製造方法を説明するための図である。図１を参照して、本発明の実施の形態における高純度窒素ガスの製造方法について説明する。実施の形態における高純度窒素ガスの製造方法は、吸着工程と、精製工程と、除湿工程と、再生工程とを備えている。吸着工程は、空気中の酸素を吸着剤により吸着させる。精製工程は、吸着工程後の第１ガス中に含有されている残存酸素を、水素と反応させて水分に変えることにより、酸素を除去する。除湿工程は、精製工程後の第２ガス中から、水分が除去された高純度窒素ガスと除去された水分を含有するパージガスとを分離する。再生工程は、パージガスを用いて、吸着剤を再生する。

図１に示すように、実施の形態における高純度窒素ガスの製造方法に用いる装置は、圧縮機１と、吸着塔２，３と、製品槽４と、精製装置５と、除湿装置６と、高純度窒素ガスタンク８と、パージガスを吸着塔２，３に供給する配管１１４とを備えている。吸着塔２，３は内部に空気中の酸素を選択的に吸着し窒素を分離する吸着剤を充填している。吸着塔２，３は、圧縮機１により圧縮された空気中の酸素を吸着剤により吸着させて第１ガスとする。製品槽４は、吸着塔２，３により酸素が除去された第１ガスを貯留する。精製装置５は、水素ボンベ７から供給される水素と第１ガス中の酸素とを反応させて第２ガスとする。除湿装置６は、第２ガスから水分が除去された高純度窒素ガスと除去された水分を含有するパージガスとを分離する。高純度窒素ガスタンク８は、製造される高純度窒素ガスを貯留する。配管１１４は、除湿装置６で分離されるパージガスを吸着塔２，３に供給するための部材である。

高純度窒素ガスを製造するためには、まず、圧縮機１により空気を圧縮する。次に、空気中の酸素を吸着剤により吸着させる吸着工程を実施する。吸収工程は、複数の吸着塔２，３で行なわれることが好ましい。実施の形態では、２つの吸着塔２，３で吸着工程を実施可能としている。また、吸着塔２，３のうち、吸着塔２で供給される圧縮された空気中の酸素を除去し、吸着塔３でパージガスにより再生が行なわれているとする。この場合には、圧縮された空気は、たとえば配管１００、弁１１、および配管１０２を介して吸着塔２に供給される。

複数の吸着塔２，３のうち、吸着工程が実施されている吸着塔２では、吸着剤に酸素が吸着されることにより、空気中の酸素を除去する。酸素を吸着する方法は、特に限定されないが、たとえば圧力の変動を利用して酸素を空気から分離する圧力変動吸着（ＰＳＡ）装置で行なわれることが好ましい。吸着工程がＰＳＡ装置で行なわれる場合には、吸着塔２の内部の圧力をたとえば０．５〜１．０Ｐａの高圧にして、分子径の小さい酸素分子を吸着剤の微細な孔に吸着させる。なお、吸着工程に用いる吸着装置は、特にＰＳＡ装置に限定されず、たとえば膜式吸着装置などを用いることができる。

吸着剤は、複数の吸着装置である吸着塔２，３に充填されている。吸着剤は、酸素を除去できれば特に限定されないが、たとえばゼオライト、活性アルミナ、または活性炭を用いることができる。ＰＳＡ装置を用いる場合には、吸着剤としてＭＳＣ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｓｉｅｖｉｎｇ Ｃａｒｂｏｎ：分子篩炭素）を用いることが好ましい。ＭＳＣは、強度、耐摩耗性、および均質性に優れているとともに、酸素と窒素との分離能力に優れているため、空気中の酸素をより除去できるからである。

吸着塔２により酸素が除去され、窒素の濃度が高まった第１ガスは、たとえば配管１０４、弁１５、および配管１０６を介して製品槽４に供給される。吸着塔２出口の窒素濃度を９９％、９９．９％、および９９．９９％とするためには、吸着塔２に供給される第１ガスの流量をＱ［Ｎｍ^３／Ｈ］とすると、０．４０Ｑ［Ｎｍ^３／Ｈ］、０．２７Ｑ［Ｎｍ^３／Ｈ］、および０．１９Ｑ［Ｎｍ^３／Ｈ］の流量の第１ガスが製品槽４に供給される。第１ガスの残存酸素濃度を低減させる観点から、０．２７Ｑ［Ｎｍ^３／Ｈ］で製品槽４に第１ガスを供給すれば、製品槽４に貯留されている第１ガスの残存酸素濃度は１０００ｐｐｍ（窒素濃度は９９．９％）程度となる。

次に、吸着工程後の第１ガス中に含有されている残存酸素を、水素と反応させて除去する精製工程を実施する。精製工程は、たとえば精製装置５により行なわれる。具体的には、製品槽４に貯留されている第１ガスは、配管１０７、減圧弁１９、弁１８、および配管１０８を介して精製装置５に供給される。また、水素ボンベ７に貯留されている水素ガスは、弁２０および配管１０８を介して精製装置５に供給される。

精製装置５では、供給される第１ガス中の残存酸素と水素とを水分に反応させる。水分への反応を促進するために、精製装置５は、パラジウム合金などの触媒を充填していることが好ましい。これにより、第１ガス中の残存酸素がさらに減り、窒素濃度が高くなる第２ガスを製造できる。ただし、第２ガスは、水分を多く含んでいる。精製工程では、たとえば残存ガスを１０００ｐｐｍ含有している第１ガスを、１０ｐｐｍより低い残存酸素濃度（９９．９９９％を超える窒素濃度）の第２ガスとできる。

次に、精製工程後の第２ガス中から、水分が除去された高純度窒素ガスと、除去された水分を含有するパージガスとを分離する除湿工程を実施する。除湿工程は、たとえば除湿装置６で行なわれる。具体的には、水分を多く含んでいる第２ガスは、配管１１０を介して除湿装置６に供給される。除湿装置６は、第２ガス中から水分を分離して、高純度窒素ガスを製造する。高純度窒素ガスは、配管１１２、弁２１、および配管１１３を介して高純度窒素ガスタンク８へ貯留される。なお、さらに水分を除去するために、配管１１２、弁２２、および配管１１１を介して高純度窒素ガスを貫流させることが好ましい。

一方、第２ガス中から水分を除去するためには、機能上、水分のみを除去できず、高濃度の窒素ガスを含む第２ガス中の一部をパージガスとして高純度窒素ガスを製造する系外に排気する必要がある。パージガスは除湿装置６から配管１１４を介して排気される。高純度窒素ガスの水分含有割合にパージガスの量は依存する。高純度窒素ガスに含まれる水分の割合を４００ｐｐｍ〜４０ｐｐｍとすると、第２ガスの量に対して約１０〜２０％の量のパージガスが排気される。

除湿装置６は、第２ガス中の水分を除去できれば特に限定されず、たとえば膜式除湿装置、冷凍式除湿装置、およびＰＳＡ式除湿装置などを用いることができる。除湿装置６は、簡便さの観点から、膜式除湿装置で行なわれることが好ましい。

次に、パージガスを用いて、吸着剤を再生する再生工程を実施する。再生工程は、減圧ポンプによりパージガスを吸着剤に供給する工程を含んでいることが好ましい。減圧ポンプは、たとえば配管１１４に設けられている。減圧ポンプは、たとえば真空ポンプを用いることができる。これにより、パージガスを除湿装置６から再生を行なう吸着塔３へ容易に供給することができる。

再生工程は、逆止弁２３，２４により再生工程が実施されている吸着装置である吸着塔２，３にパージガスを選択的に供給する工程を含んでいることが好ましい。再生工程が実施されている吸着塔３は、吸着工程が実施されている吸着塔２よりも圧力が低い。そのため、逆止弁２３，２４により、再生工程が実施されている相対的に低圧の吸着塔３にパージガスを容易に供給できる。

再生工程では、具体的には、除湿装置６から排気されるパージガスは、配管１１４および逆止弁２４を介して吸着塔３に供給される。そして、吸着塔３では、吸収工程により酸素を吸着している吸着剤をパージガスにより脱着させて、吸着剤を再活性化する。脱着された酸素は、配管１０３、弁１４、および配管１０１を介して、高純度窒素ガスを製造する系外に排気する。

吸着工程と再生工程とを同時に実施することが好ましい。具体的には、吸着塔２で吸着工程を実施しながら、吸着塔３で再生工程を実施する。また、吸着工程に用いられる吸着塔２と再生工程に用いられる吸着塔３とを一定時間毎に切り替える制御を行なうことが好ましい。一定時間は、吸着工程で吸着剤の能力が低下する程度により決められ、たとえば３０秒〜１００秒としている。このような制御を行なうことにより、常時空気をいずれかの吸着塔２，３に供給でき、連続して高純度窒素ガスを製造できる。

図２〜図５を参照して、吸着工程と再生工程に用いる吸着塔２，３を切り替える動作について説明する。なお、図２は、吸着塔２で吸着工程を、吸着塔３で再生工程を実施することを説明するための図である。図３は、均圧工程を説明するための図である。図４は、吸着塔３で吸着工程を、吸着塔２で再生工程を実施することを説明するための図である。図５は、別の均圧工程を説明するための図である。

まず、図２に示すように、吸着工程を吸着塔２で、再生工程を吸着塔３で行なっているときには、弁１２，１３，１６，１７を閉とし、弁１１，１４，１５を開にする。そして、吸着塔２の吸着能力が低下してくれば吸着工程に用いる吸着塔２を吸着塔３へ切り替える。この際には、吸着塔２，３の内部圧力が同じになる均圧工程を実施することが好ましい。この際には、図３に示すように、弁１２，１４，１５，１６を閉にして、弁１１，１３，１７を開にする。そして、吸着塔２，３の内部圧力が同じになれば、吸着工程を吸着塔３で、再生工程を吸着塔２で行なう。この際には、図４に示すように、弁１１，１４，１５，１７を閉とし、弁１２，１３，１６を開とする。そして、吸着塔３の吸着能力が低下してくれば、吸着工程に用いる吸着塔３を吸着塔２へ切り替える。この際には、吸着塔３，２の内部圧力が同じになる均圧工程を実施することが好ましい。この際には、図５に示すように、弁１２，１４，１５，１６を閉とし、弁１１，１３，１７を開とする。このようにして、吸着工程と再生工程とに用いる吸着塔２，３を切り替えることができる。

以上の工程を実施することにより、本発明の実施の形態における高純度窒素ガスを製造できる。従来と同様の流量で製造する場合には、９９．９９９９％を超える濃度の高純度窒素ガスを製造できる。また、従来と同様の純度で製造する場合には、従来の流量の１．２倍の高純度窒素ガスを製造できる。さらに、従来よりもやや高純度でかつ、流量をやや向上した高純度窒素ガスを製造することもできる。

以上説明したように、本発明の実施の形態における高純度窒素ガスの製造方法によれば、空気中の酸素を吸着剤により吸着させる吸着工程と、吸着工程後の第１ガス中に含有されている残存酸素を、水素と反応させて除去する精製工程と、精製工程後の第２ガス中から、水分が除去された高純度窒素ガスと除去された水分を含有するパージガスとを分離する除湿工程と、パージガスを用いて、吸着剤を再生する再生工程とを備えている。吸着塔３内に充填されている吸着剤を再生する際には、再生に用いるガスの窒素濃度が高いほど再生される吸着剤の活性は高くなる一方、ガスの水分含有量に再生される吸着剤の活性化はあまり影響されない。すなわち、パージガスは、水分を多く含んでいるが、吸着工程および精製工程で酸素を除去した高濃度の窒素ガスであるので、空気などで吸着剤を再生する場合と比較して、再生される吸着剤の活性化が高くなり、再生効率が高くなる。そのため、通常排気されるパージガスを用いて吸着塔３の吸着剤の活性化を高めているので、吸着工程での酸素を吸着する能力が高くなる。よって、吸着工程で高効率に酸素を除去できるので、高い窒素濃度で、かつ回収率を向上することにより製造量を向上できる高純度窒素ガスを製造できる。

［実施例］
本発明の高純度窒素ガスの製造方法の効果を確認するべく、以下のような製造方法により製造した窒素ガスの量とその残存酸素濃度とを測定した。

（実施例１の高純度窒素ガスの製造方法）
実施例１の高純度窒素ガスの製造方法は、実施の形態１の高純度窒素ガスの製造方法にしたがって実施した。具体的には、吸着工程では、２つのＰＳＡ吸着塔を用いて、供給する空気の流量を２１００Ｎｌ／ｍｉｎ、圧力を０．８３ＭＰａとした。そして、精製工程では、内部にパラジウム合金からなる触媒を充填した精製装置を用いた。そして、除湿工程では、膜式除湿装置を用いた。そして、再生工程では、逆止弁によりパージガスを再生している吸着塔に供給した。

（比較例１の高純度窒素ガスの製造方法）
比較例１の高純度窒素ガスの製造方法は、基本的には実施例１の高純度窒素ガスの製造方法と同様の構成を備えているが、再生工程を備えていない点においてのみ、実施例１の高純度窒素ガスの製造方法と異なる。なお、供給する空気の流量は実施例１と同様とした。

（測定方法）
実施例１および比較例１の高純度窒素ガスの製造方法により製造される高純度窒素ガスの発生量［Ｎｍ^３／ｍｉｎ］と、その高純度窒素ガス中の残存酸素濃度をそれぞれ測定した。その結果を図６および表１に示す。なお、図６は、本発明の実施例における製造される高純度窒素ガスの流量と残存酸素濃度を示す図である。図６中、縦軸は高純度窒素ガス中の酸素濃度（単位：ｖｏｌ．ｐｐｍ）を示し、横軸は高純度窒素ガスの発生量（単位：Ｎｍ^３／ｈ）を示す。

（測定結果）
図６および表１に示すように、実施例１で製造された高純度窒素ガスの製造量を比較例１で製造された高純度窒素ガスと同じ製造量とすると、実施例１で製造した高純度窒素ガス中の残存酸素濃度を低減することができた。また、実施例１で製造された高純度窒素ガスの残存酸素濃度と比較例１で製造された高純度窒素ガスと同じ残存酸素濃度とすると、実施例１で製造した高純度窒素ガスの製造量を多くできた。

以上説明したように、実施例によれば、再生工程を備えることにより、純度を高く、かつ製造量を向上できる高純度窒素ガスの製造方法であることが確認できた。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態における高純度窒素ガスの製造方法を説明するための図である。 吸着塔２で吸着工程を、吸着塔３で再生工程を実施することを説明するための図である。 均圧工程を説明するための図である。 吸着塔３で吸着工程を、吸着塔２で再生工程を実施することを説明するための図である。 別の均圧工程を説明するための図である。 本発明の実施例における製造される高純度窒素ガスの流量と残存酸素濃度を示す図である。

符号の説明

１ 圧縮機、２，３ 吸着塔、４ 製品槽、５ 精製装置、６ 除湿装置、７ 水素ボンベ、８ 高純度窒素ガスタンク、１１〜１８，２０〜２２ 弁、１９ 減圧弁、２３，２４ 逆止弁、１００〜１０４，１０６〜１０８，１１０〜１１４ 配管。

Claims (5)

1. 空気中の酸素を吸着剤により吸着させる吸着工程と、
   前記吸着工程後の第１ガス中に含有されている残存酸素を、水素と反応させて水分に変えることにより、酸素を除去する精製工程と、
   前記精製工程後の第２ガス中から、水分が除去された高純度窒素ガスと前記除去された水分を含有するパージガスとを分離する除湿工程と、
   前記パージガスを用いて、前記吸着剤を再生する再生工程とを備える、高純度窒素ガスの製造方法。
2. 前記吸着工程は、圧力変動吸着装置で行なわれ、
   前記除湿工程は、膜式除湿装置で行なわれる、請求項１に記載の高純度窒素ガスの製造方法。
3. 前記再生工程では、減圧ポンプにより前記パージガスを前記吸着剤に供給する工程を含む、請求項１または２に記載の高純度窒素ガスの製造方法。
4. 前記吸着工程と前記再生工程とを同時に実施する、請求項１〜３のいずれかに記載の高純度窒素ガスの製造方法。
5. 前記再生工程は、逆止弁により前記再生工程が実施されている前記吸着剤に前記パージガスを供給する工程を含む、請求項４に記載の高純度窒素ガスの製造方法。

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