JP2012096964A - アンモニア精製システム - Google Patents

Abstract

【課題】 エネルギの消費を抑制して粗アンモニアを効率的に精製することができるアンモニア精製システムを提供する。
【解決手段】 アンモニア精製システム２００は、粗アンモニアを貯留する貯留タンク１、粗アンモニア中の不純物を吸着除去する吸着手段２、低沸点不純物を蒸留除去する第１蒸留塔４、高沸点不純物を蒸留除去する第２蒸留塔５、精製後のアンモニアを凝縮して液体アンモニアとして回収するコンデンサ６、吸着手段２から導出されたアンモニアに含まれる不純物濃度を分析する分析手段３、吸着手段２から導出されたアンモニアが流過する流路を形成する配管８、配管８における流路を開放または閉鎖する流路開閉手段９、および分析手段３による分析結果に基づいて流路開閉手段９の開閉動作を制御する流路開閉制御手段１０１を含む。
【選択図】 図１

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に関する。

半導体製造工程および液晶製造工程においては、窒化物皮膜の作製など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。

粗アンモニア中には、メタン、エタン、プロパン等の低次炭化水素、さらに多くの炭素数を有する高次炭化水素、水分、および窒素、酸素、アルゴン等の低沸点ガス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９９．５重量％程度である。

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種によって、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、より好ましくは９９．９９９９９重量％以上であることが求められる。

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。

たとえば、特許文献１には、液体状の粗アンモニアから高沸点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を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低沸点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。

特開２００６−２０６４１０号公報 特開２００３−１８３０２１号公報

特許文献１，２に開示されるアンモニアを精製する技術では、粗アンモニアに含まれる不純物を吸着除去するときに、アンモニアを液体から気体に相変化させるためのエネルギが必要であり、不純物を蒸留除去するときに、アンモニアを液体と気体との間で相変化させるためのエネルギが必要である。また、蒸留塔から導出された精製後の気体状のアンモニアは、凝縮して液体アンモニアとして回収するので、この凝縮時にもエネルギが必要となる。すなわち、特許文献１，２に開示されるアンモニアを精製する技術では、粗アンモニアに含まれる不純物を吸着・蒸留除去し、さらに凝縮して精製された液体アンモニアを得るまでの過程で、多くのエネルギが消費されることになる。

したがって本発明の目的は、エネルギの消費を抑制して粗アンモニアを効率的に精製することができるアンモニア精製システムを提供することである。

本発明は、不純物が含まれる粗アンモニアを精製するシステムにおいて、
粗アンモニアを貯留する貯留手段と、
前記貯留手段から導出された粗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吸着手段と、
アンモニアよりも沸点の低い低沸点不純物を蒸留除去する第１蒸留手段と、
アンモニアよりも沸点の高い高沸点不純物を蒸留除去する第２蒸留手段と、
アンモニアを凝縮して液体アンモニアとして回収する凝縮手段と、
前記吸着手段から導出されたアンモニアに含まれる不純物の濃度を分析する分析手段と、
前記吸着手段から導出されたアンモニアが流過する流路を形成する配管であって、
前記吸着手段と前記第１蒸留手段との間に接続される第１配管と、
前記第１蒸留手段と前記第２蒸留手段との間に接続される第２配管と、
前記第２蒸留手段と前記凝縮手段との間に接続される第３配管と、
前記第１配管から分岐し、前記第２配管に接続される第４配管と、
前記第２配管において、前記第４配管が接続される接続部よりもアンモニアの流過方向下流側で前記第２配管から分岐し、前記第３配管に接続される第５配管と、を含む配管と、
前記配管における流路を開放または閉鎖する流路開閉手段であって、
前記第１配管において、前記第１配管から前記第４配管に分岐する分岐部よりもアンモニアの流過方向上流側に設けられる第１バルブと、
前記第１配管において、前記第１配管から前記第４配管に分岐する分岐部よりもアンモニアの流過方向下流側に設けられる第２バルブと、
前記第２配管において、前記第２配管から前記第５配管に分岐する分岐部よりもアンモニアの流過方向下流側に設けられる第３バルブと、
前記第３配管において、前記第５配管が接続される接続部よりもアンモニアの流過方向上流側に設けられる第４バルブと、
前記第４配管に設けられる第５バルブと、
前記第５配管に設けられる第６バルブと、を含む流路開閉手段と、
前記分析手段による分析結果に基づいて、前記第１〜第６バルブの流路を開放または閉鎖する開閉動作を制御する流路開閉制御手段と、を備えることを特徴とするアンモニア精製システムである。

また本発明のアンモニア精製システムにおいて、前記流路開閉制御手段は、
前記分析手段による分析結果が、低沸点不純物の濃度が所定値未満であり、かつ高沸点不純物の濃度が所定値未満であることを示す分析結果である場合、前記第１バルブ、前記第５バルブおよび前記第６バルブを開放させ、前記第２バルブ、前記第３バルブおよび前記第４バルブを閉鎖させる制御を行い、
前記分析手段による分析結果が、低沸点不純物の濃度が所定値以上であり、かつ高沸点不純物の濃度が所定値未満であることを示す分析結果である場合、前記第１バルブ、前記第２バルブおよび前記第６バルブを開放させ、前記第３バルブ、前記第４バルブおよび前記第５バルブを閉鎖させる制御を行い、
前記分析手段による分析結果が、低沸点不純物の濃度が所定値未満であり、かつ高沸点不純物の濃度が所定値以上であることを示す分析結果である場合、前記第１バルブ、前記第５バルブ、前記第３バルブおよび前記第４バルブを開放させ、前記第２バルブおよび前記第６バルブを閉鎖させる制御を行い、
前記分析手段による分析結果が、低沸点不純物の濃度が所定値以上であり、かつ高沸点不純物の濃度が所定値以上であることを示す分析結果である場合、前記第１バルブ、前記第２バルブ、前記第３バルブおよび前記第４バルブを開放させ、前記第５バルブおよび前記第６バルブを閉鎖させる制御を行うことを特徴とする。

また本発明のアンモニア精製システムにおいて、前記配管は、前記吸着手段と前記貯留手段との間に接続され、前記分析手段による分析が終了するまで、前記吸着手段から導出されたアンモニアが前記貯留手段に向けて流過する流路を形成する第６配管を含むことを特徴とする。

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、粗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複数の吸着部を有し、
前記複数の吸着部は、それぞれ区別された状態で、前記貯留手段から導出された粗アンモニアが導入されることを特徴とする。

また本発明のアンモニア精製システムにおいて、前記分析手段は、ガスクロマトグラフ分析装置およびキャビティリングダウン分光分析装置を含み、
前記吸着手段から導出されたアンモニアについて、ガスクロマトグラフ分析装置でメタン濃度を分析し、キャビティリングダウン分光分析装置で水分濃度を分析することを特徴とする。

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、合成ゼオライト、活性炭から選ばれる少なくとも１種の無機多孔質吸着剤であることを特徴とする。

本発明によれば、アンモニア精製システムは、粗アンモニアを貯留する貯留手段、吸着手段、第１蒸留手段、第２蒸留手段、凝縮手段、分析手段、吸着手段から導出されたアンモニアが流過する流路を形成する配管、配管における流路を開放または閉鎖する流路開閉手段、および流路開閉制御手段を含む。吸着手段は、貯留手段から導出された粗アンモニアに含まれる不純物を吸着除去する。第１蒸留手段は、アンモニアよりも沸点の低い低沸点不純物を蒸留除去する。第２蒸留手段は、アンモニアよりも沸点の高い高沸点不純物を蒸留除去する。凝縮手段は、不純物除去後のアンモニアを凝縮して液体アンモニアとして回収する。分析手段は、吸着手段から導出されたアンモニアに含まれる不純物の濃度を分析する。配管は、吸着手段と第１蒸留手段との間に接続される第１配管と、第１蒸留手段と第２蒸留手段との間に接続される第２配管と、第２蒸留手段と凝縮手段との間に接続される第３配管と、第１配管から分岐し第２配管に接続される第４配管と、第２配管において、第４配管が接続される接続部よりもアンモニアの流過方向下流側で第２配管から分岐し、第３配管に接続される第５配管と、を含む。流路開閉手段は、第１配管において、第１配管から第４配管に分岐する分岐部よりもアンモニアの流過方向上流側に設けられる第１バルブと、第１配管において、第１配管から第４配管に分岐する分岐部よりもアンモニアの流過方向下流側に設けられる第２バルブと、第２配管において、第２配管から第５配管に分岐する分岐部よりもアンモニアの流過方向下流側に設けられる第３バルブと、第３配管において、第５配管が接続される接続部よりもアンモニアの流過方向上流側に設けられる第４バルブと、第４配管に設けられる第５バルブと、第５配管に設けられる第６バルブと、を含む。

以上のように構成されるアンモニア精製システムでは、まず吸着手段が、貯留手段から導出された粗アンモニアに含まれる不純物を吸着除去する。この吸着手段から導出されたアンモニアの一部が分析手段に導入され、分析手段によりアンモニアに含まれる不純物の濃度が分析される。そして、流路開閉制御手段が、分析手段による分析結果に基づいて、吸着手段から導出されたアンモニアが流過する配管に設けられる第１〜第６バルブの開閉動作を制御する。本発明のアンモニア精製システムでは、吸着手段から導出されたアンモニアに含まれる不純物の濃度を分析手段で分析し、その分析結果に応じて、第１蒸留手段および第２蒸留手段における蒸留除去の精製動作を行うことができるので、不必要な蒸留除去の精製動作を省略することができ、これによって、エネルギの消費を抑制して粗アンモニアを効率的に精製することができる。

また本発明によれば、流路開閉制御手段は、分析手段による分析結果に基づいて、以下の４つのパターンの制御を行う。第１のパターンにおいて、流路開閉制御手段は、分析手段による分析結果が、低沸点不純物の濃度が所定値未満であり、かつ高沸点不純物の濃度が所定値未満であることを示す分析結果である場合、第１バルブ、第５バルブおよび第６バルブを開放させ、第２バルブ、第３バルブおよび第４バルブを閉鎖させる制御を行う。これによって、アンモニア精製システムは、吸着手段から導出されたアンモニアに対して、第１蒸留手段および第２蒸留手段における蒸留除去の精製動作は行わず、吸着手段から導出されたアンモニアを、第１配管、第４配管、第２配管、第５配管および第３配管を流過させて凝縮手段に導入し、液体アンモニアとして回収することができる。

また、第２のパターンにおいて、流路開閉制御手段は、分析手段による分析結果が、低沸点不純物の濃度が所定値以上であり、かつ高沸点不純物の濃度が所定値未満であることを示す分析結果である場合、第１バルブ、第２バルブおよび第６バルブを開放させ、第３バルブ、第４バルブおよび第５バルブを閉鎖させる制御を行う。これによって、アンモニア精製システムは、吸着手段から導出されたアンモニアに対して、第１蒸留手段における蒸留除去の精製動作を行い、第２蒸留手段における蒸留除去の精製動作を行わず、吸着手段から導出されたアンモニアを、第１配管、第２配管、第５配管および第３配管を流過させて凝縮手段に導入し、液体アンモニアとして回収することができる。

また、第３のパターンにおいて、流路開閉制御手段は、分析手段による分析結果が、低沸点不純物の濃度が所定値未満であり、かつ高沸点不純物の濃度が所定値以上であることを示す分析結果である場合、第１バルブ、第５バルブ、第３バルブおよび第４バルブを開放させ、第２バルブおよび第６バルブを閉鎖させる制御を行う。これによって、アンモニア精製システムは、吸着手段から導出されたアンモニアに対して、第２蒸留手段における蒸留除去の精製動作を行い、第１蒸留手段における蒸留除去の精製動作を行わず、吸着手段から導出されたアンモニアを、第１配管、第４配管、第２配管および第３配管を流過させて凝縮手段に導入し、液体アンモニアとして回収することができる。

また、第４のパターンにおいて、流路開閉制御手段は、分析手段による分析結果が、低沸点不純物の濃度が所定値以上であり、かつ高沸点不純物の濃度が所定値以上であることを示す分析結果である場合、第１バルブ、第２バルブ、第３バルブおよび第４バルブを開放させ、第５バルブおよび第６バルブを閉鎖させる制御を行う。これによって、アンモニア精製システムは、吸着手段から導出されたアンモニアに対して、第１蒸留手段および第２蒸留手段における蒸留除去の精製動作を行い、吸着手段から導出されたアンモニアを、第１配管、第２配管および第３配管を流過させて凝縮手段に導入し、液体アンモニアとして回収することができる。

また本発明によれば、吸着手段から導出されたアンモニアが流過する流路を形成する配管は、吸着手段と貯留手段との間に接続され、分析手段による分析が終了するまで、吸着手段から導出されたアンモニアが貯留手段に向けて流過する流路を形成する第６配管を含む。これによって、分析手段による分析が終了するまでの間に、吸着手段から導出されたアンモニアを、第６配管を経由して貯留手段に戻すことができる。

また本発明によれば、吸着手段は、粗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複数の吸着部を有し、その複数の吸着部には、それぞれ区別された状態で、貯留手段から導出された粗アンモニアが導入される。これによって、粗アンモニアに含まれる不純物を、１つの吸着部で吸着除去している間に、使用済みの他の吸着部で再度吸着除去動作が可能なように、使用済みの他の吸着部を再生処理することができる。

また本発明によれば、分析手段は、ガスクロマトグラフ分析装置およびキャビティリングダウン分光分析装置を含む。そして、吸着手段から導出されたアンモニアについて、ガスクロマトグラフ分析装置でメタン濃度を分析し、キャビティリングダウン分光分析装置で水分濃度を分析する。これによって、流路開閉制御手段は、ガスクロマトグラフ分析装置により分析される低沸点不純物であるメタンの濃度、および、キャビティリングダウン分光分析装置により分析される高沸点不純物である水分の濃度で示される分析結果に基づいて、第１〜第６バルブの開閉動作を制御することができる。

また本発明によれば、吸着手段で用いられる吸着剤が、合成ゼオライト、活性炭から選ばれる少なくとも１種の無機多孔質吸着剤である。吸着剤として合成ゼオライトを用いることによって、粗アンモニアに含まれる水分を効率よく吸着除去することができ、吸着剤として活性炭を用いることによって、粗アンモニアに含まれる炭化水素系の不純物を効率よく吸着除去することができる。

本発明の実施の一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。 アンモニア精製システム２００の構成を示すブロック図である。 分析手段３による分析結果が、低沸点不純物および高沸点不純物の濃度が所定値未満である場合における、配管８内のアンモニアの流過状態を示す図である。 分析手段３による分析結果が、低沸点不純物の濃度が所定値以上であり、かつ高沸点不純物の濃度が所定値未満である場合における、配管８内のアンモニアの流過状態を示す図である。 分析手段３による分析結果が、低沸点不純物の濃度が所定値未満であり、かつ高沸点不純物の濃度が所定値以上である場合における、配管８内のアンモニアの流過状態を示す図である。 分析手段３による分析結果が、低沸点不純物および高沸点不純物の濃度が所定値以上である場合における、配管８内のアンモニアの流過状態を示す図である。

図１は、本発明の実施の一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。図２は、アンモニア精製システム２００の構成を示すブロック図である。

本実施形態のアンモニア精製システム２００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る。粗アンモニア中には、メタン、エタン、プロパン等の低次炭化水素、さらに多くの炭素数を有する高次炭化水素、水分、および窒素、酸素、アルゴン等の低沸点ガスが不純物として含まれている。すなわち、粗アンモニア中には、アンモニア（沸点−３３．４４℃）よりも沸点の低い低次炭化水素、低沸点ガスなどの低沸点不純物、およびアンモニアよりも沸点の高い高次炭化水素、水分などの高沸点不純物が含まれている。

アンモニア精製システム２００は、貯留手段である貯留タンク１、吸着手段２、分析手段３、第１蒸留手段である第１蒸留塔４、第２蒸留手段である第２蒸留塔５、凝縮手段であるコンデンサ６、吸着手段２から導出されたアンモニアが流過する流路を形成する配管８、配管８における流路を開放または閉鎖する流路開閉手段９、および制御手段１０を含んで構成される。

貯留タンク１は、粗アンモニアを貯留するものである。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。この貯留タンク１は、粗アンモニアを液体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、制御手段１０の稼動条件制御手段１０２により制御されている。貯留タンク１の上部には、液体アンモニアを貯留した状態で気相が形成されている。貯留タンク１から吸着手段２に粗アンモニアを導出する際には、液体アンモニアとして導出するようにしてもよいが、本実施形態では、粗アンモニアを前記気相から気体状のアンモニアとして導出する。貯留タンク１と吸着手段２との間には供給配管１１が接続されており、貯留タンク１から導出された粗アンモニアは、供給配管１１を流過して吸着手段２の第１吸着塔２１または第２吸着塔２２に供給される。なお、粗アンモニアの第１吸着塔２１または第２吸着塔２２への供給時には、供給配管１１に設けられる供給用バルブ１２，１３により流路の開閉動作が行われる。

吸着手段２は、貯留タンク１から導出された気体状の粗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２は、第１吸着塔２１と第２吸着塔２２を含む。第１吸着塔２１と第２吸着塔２２とは、同一構成であり、それぞれ区別された状態で、貯留タンク１から導出された気体状の粗アンモニアが導入される。これによって、粗アンモニアに含まれる不純物を、たとえば第１吸着塔２１で吸着除去している間に、使用済みの第２吸着塔２２で再度吸着除去動作が可能なように、使用済みの第２吸着塔２２を再生処理することができる。

第１吸着塔２１および第２吸着塔２２に充填される吸着剤としては、合成ゼオライト、活性炭などの無機多孔質吸着剤を挙げることができる。合成ゼオライトとしては、細孔径が異なるＭＳ−３Ａ（細孔径３Å）、ＭＳ−４Ａ（細孔径４Å）、ＭＳ−５Ａ（細孔径５Å）、ＭＳ−１３Ｘ（細孔径９Å）を挙げることができる。本実施形態では、吸着剤として、炭化水素および水分の吸着能に優れるＭＳ−１３Ｘ、水分の吸着能に優れるＭＳ−３Ａ、炭化水素の吸着能に優れる（ＭＳ−４Ａ＋ＭＳ−５Ａ）が積層されたものを用いる。その積層された吸着剤において混合比は、ＭＳ−１３Ｘ：ＭＳ−３Ａ：（ＭＳ−４Ａ＋ＭＳ−５Ａ）＝１：１：１である。

また、第１吸着塔２１および第２吸着塔２２は、制御手段１０の稼動条件制御手段１０２により、温度および圧力が制御される。具体的には、第１吸着塔２１および第２吸着塔２２における温度は０〜６０℃に制御され、圧力は０．１〜１．０ＭＰａに制御される。第１吸着塔２１および第２吸着塔２２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２１および第２吸着塔２２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２１および第２吸着塔２２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２１および第２吸着塔２２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。

また、第１吸着塔２１および第２吸着塔２２における線速度（リニアベロシティ）は、単位時間あたりに粗アンモニアを第１吸着塔２１または第２吸着塔２２に供給する量をＮＴＰでのガス体積に換算し、第１吸着塔２１または第２吸着塔２２の空塔断面積で除算して求めた値の範囲が、０．１〜５．０ｍ／秒であることが好ましい。線速度が０．１ｍ／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５．０ｍ／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。

分析手段３は、吸着手段２から導出された気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３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）３１と、キャビティリングダウン分光分析装置（ＣＲＤＳ）３２を含む。ガスクロマトグラフ分析装置３１としては、たとえば、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、キャビティリングダウン分光分析装置３２としては、たとえば、ＭＴＯ−ＬＰ−Ｈ_２Ｏ（Ｔｉｇｅｒ Ｏｐｔｉｃｓ社製）を挙げることができる。

本実施形態では、吸着手段２から導出された気体状のアンモニアについて、ガスクロマトグラフ分析装置３１でメタン濃度を分析し、キャビティリングダウン分光分析装置３２で水分濃度を分析する。これによって、後述する流路開閉制御手段１０１は、ガスクロマトグラフ分析装置３１により分析される低沸点不純物であるメタンの濃度、および、キャビティリングダウン分光分析装置３２により分析される高沸点不純物である水分の濃度で示される分析結果に基づいて、流路開閉手段９の開閉動作を制御することができる。

第１蒸留塔４は、吸着手段２から導出された気体状のアンモニアに含まれる、アンモニアよりも沸点の低い低沸点不純物を蒸留除去する。第１蒸留塔４における温度、圧力などの稼動条件は、制御手段１０の稼動条件制御手段１０２により制御される。第１蒸留塔４は、下から順に底部空間部４５、下部蒸留部４４、中央空間部４３、上部蒸留部４２、上部空間部４１を形成し、底部空間部４５にはリボイラ４５ａが設置され、上部空間部４１にはコンデンサ４１ａが設置されている。リボイラ４５ａ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試料のリボイルをサポートし、コンデンサ４１ａには外部から例えば冷却水などの冷媒が供給されて試料の凝縮をサポートしている。

第１蒸留塔４の中央空間部４３に導入される気体状のアンモニアは、上部蒸留部４２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アンモニアより沸点の低い低沸点不純物は気化される。このとき、低沸点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４５に流下した後、上部蒸留部４２の上部へ還流される一部を除き、底部空間部４５から導出される。一方、低沸点不純物は、上部空間部４１に上昇して濃縮ガスとなり、コンデンサ４１ａによって冷却処理されて連続的に廃ガスとして排出される。

第２蒸留塔５は、吸着手段２または第１蒸留塔４から導出されたアンモニアに含まれる、アンモニアよりも沸点の高い高沸点不純物を蒸留除去する。第２蒸留塔５における温度、圧力などの稼動条件は、制御手段１０の稼動条件制御手段１０２により制御される。第２蒸留塔５は、第１蒸留塔４と同様の構造を有し、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にはリボイラ５５ａが設置され、上部空間部５１にはコンデンサ５１ａが設置されている。

第２蒸留塔５の中央空間部５３に導入されるアンモニアは、下部蒸留部５４を上昇するアンモニアガスと気液接触しながら底部空間部５５に移動する。そこでリボイルされて気化したアンモニアガスが、流下する溶液と気液接触をしながら、下部蒸留部５４、中央空間部５３および上部蒸留部５２を経由して精製される。このとき、蒸留精製されたアンモニアガスは、上部空間部５１に到達した後、コンデンサ５１ａによって冷却処理されて上部空間部５１から導出される。一方、高沸点不純物は、底部空間部５５に流下して濃縮液となり、底部空間部５５から廃液として排出される。

コンデンサ６は、精製後のアンモニアを凝縮して液体アンモニアとして回収し、回収された液体アンモニアは、回収タンク６１に貯留される。コンデンサ６における温度などの稼動条件は、制御手段１０の稼動条件制御手段１０２により制御される。

また、本実施形態のアンモニア精製システム２００は、吸着手段２から導出されたアンモニアが流過する流路を形成する配管８を備える。この配管８は、第１配管８１、第２配管８２、第３配管８３、第４配管８４、第５配管８５、第６配管８６、および第７配管８７を含む。第１配管８１は、吸着手段２と第１蒸留塔４との間に接続される。第２配管８２は、第１蒸留塔４と第２蒸留塔５との間に接続される。第３配管８３は、第２蒸留塔５とコンデンサ６との間に接続される。第４配管８４は、第１配管８１から分岐し、第２配管８２に接続される。第５配管８５は、第２配管８２において、第４配管８４が接続される接続部よりもアンモニアの流過方向下流側で第２配管８２から分岐し、第３配管８３に接続される。第６配管８６は、吸着手段２と貯留タンク１との間に接続され、分析手段３による分析が終了するまで、吸着手段２から導出されたアンモニアが貯留タンク１に向けて流過する流路を形成する。ガスクロマトグラフ分析装置３１では分析終了までに１０分間程度の時間を要し、キャビティリングダウン分光分析装置３２では分析終了までに２０〜３０分間程度の時間を要す。第６配管８６によって、分析手段３による分析が終了するまでの間に、吸着手段２から導出されたアンモニアを、第６配管８６を経由して貯留タンク１に戻すことができる。第７配管８７は、第１配管８１から分岐し、分析手段３に接続され、吸着手段２から導出されたアンモニアの一部が分析手段３に向けて流過する流路を形成する。

また、本実施形態のアンモニア精製システム２００は、配管８における流路を開放または閉鎖する流路開閉手段９を備える。この流路開閉手段９は、第１バルブ９１、第２バルブ９２、第３バルブ９３、第４バルブ９４、第５バルブ９５、第６バルブ９６、第７バルブ９７、および第８バルブ９８を含む。第１バルブ９１は、第１配管８１において、第１配管８１から第４配管８４に分岐する分岐部よりもアンモニアの流過方向上流側に設けられる。第２バルブ９２は、第１配管８１において、第１配管８１から第４配管８４に分岐する分岐部よりもアンモニアの流過方向下流側に設けられる。第３バルブ９３は、第２配管８２において、第２配管８２から第５配管８５に分岐する分岐部よりもアンモニアの流過方向下流側に設けられる。第４バルブ９４は、第３配管８３において、第５配管８５が接続される接続部よりもアンモニアの流過方向上流側に設けられる。第５バルブ９５は、第４配管８４に設けられる。第６バルブ９６は、第５配管８５に設けられる。第７バルブ９７は、第６配管８６に設けられる。第８バルブ９８は、第７配管８７に設けられる。

以上のように構成される本実施形態のアンモニア精製システム２００では、まず吸着手段２が、貯留タンク１から導出された粗アンモニアに含まれる不純物を吸着除去する。このとき、制御手段１０の流路開閉制御手段１０１は、第１バルブ９１、第２バルブ９２、第３バルブ９３、第４バルブ９４、第５バルブ９５、および第６バルブ９６を閉鎖させ、第７バルブ９７および第８バルブ９８を開放させる制御を行う。これによって、吸着手段２から導出されたアンモニアの一部（分析手段３による分析に必要なごく少量のアンモニア）が第７配管８７を流過して分析手段３に導入され、分析手段３によりアンモニアに含まれる不純物の濃度が分析される。また、吸着手段２から導出されたアンモニアのうち、分析手段３に導入されるごく少量のアンモニアを除く残余のアンモニアは、分析手段３による分析が終了するまでの間、第６配管８６を流過して貯留タンク１に戻される。

そして、本実施形態のアンモニア精製システム２００では、制御手段１０の流路開閉制御手段１０１が、分析手段３による分析結果に基づいて、流路開閉手段９における配管８の流路を開放または閉鎖する開閉動作を制御する。アンモニア精製システム２００では、吸着手段２から導出されたアンモニアに含まれる不純物の濃度を分析手段３で分析し、その分析結果に応じて、第１蒸留塔４および第２蒸留塔５における蒸留除去の精製動作を行うことができるので、不必要な蒸留除去の精製動作を省略することができ、これによって、エネルギの消費を抑制して粗アンモニアを効率的に精製することができる。

次に、本実施形態のアンモニア精製システム２００における、より具体的な精製動作を説明する。本実施形態のアンモニア精製システム２００において、流路開閉制御手段１０１は、分析手段３による分析結果に基づいて、以下の４つのパターンの制御を行う。

＜第１のパターン＞
図３は、分析手段３による分析結果が、低沸点不純物および高沸点不純物の濃度が所定値未満である場合における、配管８内のアンモニアの流過状態を示す図である。第１のパターンにおいて、流路開閉制御手段１０１は、分析手段３による分析結果が、低沸点不純物の濃度が所定値（たとえば、メタンの濃度が３０ｐｐｂ）未満であり、かつ高沸点不純物の濃度が所定値（たとえば、水分の濃度が３０ｐｐｂ）未満であることを示す分析結果である場合、第１バルブ９１、第５バルブ９５および第６バルブ９６を開放させ、第２バルブ９２、第３バルブ９３、第４バルブ９４、および第７バルブ９７を閉鎖させる制御を行う。なお、流路開閉制御手段１０１は、第１配管８１から分岐して分析手段３に接続されて、分析手段３による分析に必要なごく少量のアンモニアが流過する第７配管８７に設けられる第８バルブ９８については、常時開放させる制御を行う。

このように、分析手段３による分析結果に基づいて、流路開閉手段９の各バルブの開閉動作が制御されたアンモニア精製システム２００は、吸着手段２から導出されたアンモニアに対して、第１蒸留塔４および第２蒸留塔５における蒸留除去の精製動作は行わず、吸着手段２から導出されたアンモニアを、第１配管８１、第４配管８４、第２配管８２、第５配管８５および第３配管８３を流過させてコンデンサ６に導入し、液体アンモニアとして回収することができる。

＜第２のパターン＞
図４は、分析手段３による分析結果が、低沸点不純物の濃度が所定値以上であり、かつ高沸点不純物の濃度が所定値未満である場合における、配管８内のアンモニアの流過状態を示す図である。第２のパターンにおいて、流路開閉制御手段１０１は、分析手段３による分析結果が、低沸点不純物の濃度が所定値（たとえば、メタンの濃度が３０ｐｐｂ）以上であり、かつ高沸点不純物の濃度が所定値（たとえば、水分の濃度が３０ｐｐｂ）未満であることを示す分析結果である場合、第１バルブ９１、第２バルブ９２および第６バルブ９６を開放させ、第３バルブ９３、第４バルブ９４、第５バルブ９５、および第７バルブ９７を閉鎖させる制御を行う。なお、流路開閉制御手段１０１は、第１配管８１から分岐して分析手段３に接続されて、分析手段３による分析に必要なごく少量のアンモニアが流過する第７配管８７に設けられる第８バルブ９８については、常時開放させる制御を行う。

このように、分析手段３による分析結果に基づいて、流路開閉手段９の各バルブの開閉動作が制御されたアンモニア精製システム２００は、吸着手段２から導出されたアンモニアに対して、第１蒸留塔４における蒸留除去の精製動作を行い、第２蒸留塔５における蒸留除去の精製動作を行わず、吸着手段２から導出されたアンモニアを、第１配管８１、第２配管８２、第５配管８５および第３配管８３を流過させてコンデンサ６に導入し、液体アンモニアとして回収することができる。

＜第３のパターン＞
図５は、分析手段３による分析結果が、低沸点不純物の濃度が所定値未満であり、かつ高沸点不純物の濃度が所定値以上である場合における、配管８内のアンモニアの流過状態を示す図である。第３のパターンにおいて、流路開閉制御手段１０１は、分析手段３による分析結果が、低沸点不純物の濃度が所定値（たとえば、メタンの濃度が３０ｐｐｂ）未満であり、かつ高沸点不純物の濃度が所定値（たとえば、水分の濃度が３０ｐｐｂ）以上であることを示す分析結果である場合、第１バルブ９１、第５バルブ９５、第３バルブ９３および第４バルブ９４を開放させ、第２バルブ９２、第６バルブ９６、および第７バルブ９７を閉鎖させる制御を行う。なお、流路開閉制御手段１０１は、第１配管８１から分岐して分析手段３に接続されて、分析手段３による分析に必要なごく少量のアンモニアが流過する第７配管８７に設けられる第８バルブ９８については、常時開放させる制御を行う。

このように、分析手段３による分析結果に基づいて、流路開閉手段９の各バルブの開閉動作が制御されたアンモニア精製システム２００は、吸着手段２から導出されたアンモニアに対して、第２蒸留塔５における蒸留除去の精製動作を行い、第１蒸留塔４における蒸留除去の精製動作を行わず、吸着手段２から導出されたアンモニアを、第１配管８１、第４配管８４、第２配管８２および第３配管８３を流過させてコンデンサ６に導入し、液体アンモニアとして回収することができる。

＜第４のパターン＞
図６は、分析手段３による分析結果が、低沸点不純物および高沸点不純物の濃度が所定値以上である場合における、配管８内のアンモニアの流過状態を示す図である。第４のパターンにおいて、流路開閉制御手段１０１は、分析手段３による分析結果が、低沸点不純物の濃度が所定値（たとえば、メタンの濃度が３０ｐｐｂ）以上であり、かつ高沸点不純物の濃度が所定値（たとえば、水分の濃度が３０ｐｐｂ）以上であることを示す分析結果である場合、第１バルブ９１、第２バルブ９２、第３バルブ９３および第４バルブ９４を開放させ、第５バルブ９５、第６バルブ９６、および第７バルブ９７を閉鎖させる制御を行う。なお、流路開閉制御手段１０１は、第１配管８１から分岐して分析手段３に接続されて、分析手段３による分析に必要なごく少量のアンモニアが流過する第７配管８７に設けられる第８バルブ９８については、常時開放させる制御を行う。

このように、分析手段３による分析結果に基づいて、流路開閉手段９の各バルブの開閉動作が制御されたアンモニア精製システム２００は、吸着手段２から導出されたアンモニアに対して、第１蒸留塔４および第２蒸留塔５における蒸留除去の精製動作を行い、吸着手段２から導出されたアンモニアを、第１配管８１、第２配管８２および第３配管８３を流過させてコンデンサ６に導入し、液体アンモニアとして回収することができる。

１ 貯留タンク
２ 吸着手段
３ 分析手段
４ 第１蒸留塔
５ 第２蒸留塔
６ コンデンサ
７ 分析時回収用コンデンサ
８ 配管
９ 流路開閉手段
１０ 制御手段
２１ 第１吸着塔
２２ 第２吸着塔
３１ ガスクロマトグラフ分析装置
３２ キャビティリングダウン分光分析装置
１０１ 流路開閉制御手段
１０２ 稼動条件制御手段
２００ アンモニア精製システム

Claims (6)

1. 不純物が含まれる粗アンモニアを精製するシステムにおいて、
   粗アンモニアを貯留する貯留手段と、
   前記貯留手段から導出された粗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吸着手段と、
   アンモニアよりも沸点の低い低沸点不純物を蒸留除去する第１蒸留手段と、
   アンモニアよりも沸点の高い高沸点不純物を蒸留除去する第２蒸留手段と、
   アンモニアを凝縮して液体アンモニアとして回収する凝縮手段と、
   前記吸着手段から導出されたアンモニアに含まれる不純物の濃度を分析する分析手段と、
   前記吸着手段から導出されたアンモニアが流過する流路を形成する配管であって、
   前記吸着手段と前記第１蒸留手段との間に接続される第１配管と、
   前記第１蒸留手段と前記第２蒸留手段との間に接続される第２配管と、
   前記第２蒸留手段と前記凝縮手段との間に接続される第３配管と、
   前記第１配管から分岐し、前記第２配管に接続される第４配管と、
   前記第２配管において、前記第４配管が接続される接続部よりもアンモニアの流過方向下流側で前記第２配管から分岐し、前記第３配管に接続される第５配管と、を含む配管と、
   前記配管における流路を開放または閉鎖する流路開閉手段であって、
   前記第１配管において、前記第１配管から前記第４配管に分岐する分岐部よりもアンモニアの流過方向上流側に設けられる第１バルブと、
   前記第１配管において、前記第１配管から前記第４配管に分岐する分岐部よりもアンモニアの流過方向下流側に設けられる第２バルブと、
   前記第２配管において、前記第２配管から前記第５配管に分岐する分岐部よりもアンモニアの流過方向下流側に設けられる第３バルブと、
   前記第３配管において、前記第５配管が接続される接続部よりもアンモニアの流過方向上流側に設けられる第４バルブと、
   前記第４配管に設けられる第５バルブと、
   前記第５配管に設けられる第６バルブと、を含む流路開閉手段と、
   前記分析手段による分析結果に基づいて、前記第１〜第６バルブの流路を開放または閉鎖する開閉動作を制御する流路開閉制御手段と、を備えることを特徴とするアンモニア精製システム。
2. 前記流路開閉制御手段は、
   前記分析手段による分析結果が、低沸点不純物の濃度が所定値未満であり、かつ高沸点不純物の濃度が所定値未満であることを示す分析結果である場合、前記第１バルブ、前記第５バルブおよび前記第６バルブを開放させ、前記第２バルブ、前記第３バルブおよび前記第４バルブを閉鎖させる制御を行い、
   前記分析手段による分析結果が、低沸点不純物の濃度が所定値以上であり、かつ高沸点不純物の濃度が所定値未満であることを示す分析結果である場合、前記第１バルブ、前記第２バルブおよび前記第６バルブを開放させ、前記第３バルブ、前記第４バルブおよび前記第５バルブを閉鎖させる制御を行い、
   前記分析手段による分析結果が、低沸点不純物の濃度が所定値未満であり、かつ高沸点不純物の濃度が所定値以上であることを示す分析結果である場合、前記第１バルブ、前記第５バルブ、前記第３バルブおよび前記第４バルブを開放させ、前記第２バルブおよび前記第６バルブを閉鎖させる制御を行い、
   前記分析手段による分析結果が、低沸点不純物の濃度が所定値以上であり、かつ高沸点不純物の濃度が所定値以上であることを示す分析結果である場合、前記第１バルブ、前記第２バルブ、前記第３バルブおよび前記第４バルブを開放させ、前記第５バルブおよび前記第６バルブを閉鎖させる制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のアンモニア精製システム。
3. 前記配管は、前記吸着手段と前記貯留手段との間に接続され、前記分析手段による分析が終了するまで、前記吸着手段から導出されたアンモニアが前記貯留手段に向けて流過する流路を形成する第６配管を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のアンモニア精製システム。
4. 前記吸着手段は、粗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複数の吸着部を有し、
   前記複数の吸着部は、それぞれ区別された状態で、前記貯留手段から導出された粗アンモニアが導入されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のアンモニア精製システム。
5. 前記分析手段は、ガスクロマトグラフ分析装置およびキャビティリングダウン分光分析装置を含み、
   前記吸着手段から導出されたアンモニアについて、ガスクロマトグラフ分析装置でメタン濃度を分析し、キャビティリングダウン分光分析装置で水分濃度を分析することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のアンモニア精製システム。
6. 前記吸着剤が、合成ゼオライト、活性炭から選ばれる少なくとも１種の無機多孔質吸着剤であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のアンモニア精製システム。

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