JP2016205761A - 深冷ガス分離の前処理装置及びそれを用いた前処理方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】深冷ガス分離装置の前工程に設置され、原料ガスに含まれる水及び／又は二酸化炭素の除去を効率よく行なうことができる深冷ガス分離の前処理装置及び前処理方法の提供。【解決手段】冷媒を内側流路１に流通し、原料ガスをフィン６付の外側流路２に流通する二重管３を備え、原料ガスに不純物として含まれる水及び／又は二酸化炭素の除去と熱交換を同時に行なう深冷ガス分離の前処理装置であって、外側流路２の断面と同一形状の面を有する環状板に原料ガス流通用の切欠部を設けた金属板７を、隣接する金属板７の切欠部が原料ガスの流通方向において互いに重ならない位置となるように、外側流路２に複数個設けた深冷ガス分離の前処理装置。前記装置を用いて原料ガスから水及び／又は二酸化炭素を除去する前処理方法。【選択図】図１

Description

本発明は、深冷ガス分離装置の前工程に設置され、原料ガスに含まれる水及び／または二酸化炭素の除去と熱交換を同時に行なう二重管を備えた深冷ガス分離の前処理装置、及びそれを用いた前処理方法に関する。
半導体製造工程において、キャリアガスとして多量の水素が使用されている。水素を工業的に容易に多量に得る方法として、例えば、液化石油ガス、液化天然ガス等の炭化水素の水蒸気改質法を利用したプロセス（脱硫工程、水蒸気改質工程、水素精製（ＰＳＡ法、深冷吸着法）工程等を含む）により製造する方法がある。このようなプロセスの深冷ガス分離工程（深冷吸着工程）前においては、水蒸気改質ガスには、水素のほか、一酸化炭素、メタン等の炭化水素、二酸化炭素、水等が含まれる。
また、半導体製造工程において、キャリアガスとして多量に使用される窒素、ヘリウム等のガスを工業的に容易に多量に得る方法として、深冷空気分離法により、空気を極低温に冷却し、沸点の相違によって各々の成分に分離する方法がある。深冷空気分離は、通常は、分縮、蒸留、吸着等の操作により行われる。
前記の水素、窒素、ヘリウム等の工業的製造において、深冷ガス分離工程前の原料ガスに不純物として含まれる水と二酸化炭素は、水素、窒素、ヘリウム等が液体になる前の冷却段階の温度で凝固し、配管やバルブ等に固着して不具合を発生させるので、深冷ガス分離装置に原料ガスを供給する前にこれらを除去する処理が必要である。
深冷ガス分離装置に供給するに先立って原料ガスを前処理する装置または方法としては、例えば、原料ガス（水蒸気改質ガス、空気）を吸着塔に導入して、水と二酸化炭素を除去する装置または方法が知られている。
特開平１−９５２８０号公報 特開平５−１５７４４７号公報 特開平６−１８５８５６号公報 特開２００６−３４９３２２号公報 特表２００８−５２７２９５号公報 特表２００９−５２８０７号公報
しかし、前処理装置として吸着塔を設置することにより、深冷ガス分離を行なうための装置が複雑で大きくなり、また設置コスト及び操業コストがかかるという不都合があった。
従って、本発明が解決しようとする課題は、深冷ガス分離装置の前工程に設置され、原料ガスに含まれる水及び／または二酸化炭素の除去を効率よく行なうことができる深冷ガス分離の前処理装置及び前処理方法を提供することである。
本発明者らは、これらの課題を解決すべく鋭意検討した結果、深冷ガス分離においてほぼ必須となっている原料ガスと冷媒（製品ガス）の熱交換と、水及び／または二酸化炭素の除去を同時に行なうことができれば、前記の課題を解決できること、及び、熱交換による原料ガスの冷却の際に、原料ガスの流路に設けた金属板により原料ガスの流れを一定条件の下コントロールすれば、原料ガスに含まれる水及び／または二酸化炭素を、金属板の表面において冷却、固着させることができ、原料ガスからこれらを除去することが可能であることを見出し、本発明の深冷ガス分離の前処理装置及びそれを用いた前処理方法に到達した。
すなわち本発明は、冷媒を内側流路に流通し、原料ガスをフィン付の外側流路に流通する二重管を備え、原料ガスに不純物として含まれる水及び／または二酸化炭素の除去と熱交換を同時に行なう深冷ガス分離の前処理装置であって、外側流路の断面と同一形状の面を有する環状板に原料ガス流通用の切欠部を設けた金属板を、隣接する金属板の切欠部が原料ガスの流通方向において互いに重ならない位置となるように、外側流路に複数個設けたことを特徴とする深冷ガス分離の前処理装置である。
また、本発明は、前記の深冷ガス分離の前処理装置の内側流路に冷媒を流通するとともに、外側流路に原料ガスを流通し、原料ガスに不純物として含まれる水及び／または二酸化炭素を、外側流路に設けた金属板の表面において冷却し固着させることにより、原料ガスから前記成分を除去することを特徴とする深冷ガス分離の前処理方法である。
従来の深冷ガス分離工程においては、深冷ガス分離の前に、吸着材が充填された吸着筒等による水及び／または二酸化炭素の除去と、熱交換器による原料ガスと冷媒（製品ガス）の熱交換が別々に行われていた。しかし、本発明の深冷ガス分離の前処理装置及びそれを用いた前処理方法は、水及び／または二酸化炭素の除去と、熱交換を、同時に行なうことが可能である。その結果、深冷ガス分離を行なうための装置が簡素で小型になり、また設置コスト及び操業コストを抑制することができる。
本発明は、深冷ガス分離装置の前工程に設置され、原料ガスと冷媒（製品ガス）の熱交換と、水及び／または二酸化炭素の除去を同時に行なう装置に適用される。深冷ガス分離により得られる精製ガスとしては、水素、ヘリウム、窒素、一酸化炭素、アルゴン、酸素等を挙げることができる。
以下、本発明の深冷ガス分離の前処理装置及びそれを用いた前処理方法を、図１〜図７に基づいて詳細に説明するが、本発明がこれらにより限定されるものではない。
尚、図１は、本発明の深冷ガス分離の前処理装置の一例を示す断面構成図である。図２は、本発明の深冷ガス分離の前処理装置に用いられる金属板の例を示す構成図である。図３〜図７は、本発明の深冷ガス分離の前処理装置の二重管部分の例を示す一部拡大の断面構成図である。
本発明の本発明の深冷ガス分離の前処理装置は、図１に示すように、冷媒を内側流路１に流通し、原料ガスをフィン６付の外側流路２に流通する二重管３を備え、原料ガスに不純物として含まれる水及び／または二酸化炭素の除去と熱交換を同時に行なう深冷ガス分離の前処理装置であって、図２に示すような、外側流路２の断面と同一形状の面を有する環状板に原料ガス流通用の切欠部１１を設けた金属板７を、図３に示すように、隣接する金属板７の切欠部１１が原料ガスの流通方向８において互いに重ならない位置となるように、外側流路２に複数個設けた装置である。
本発明の深冷ガス分離の前処理装置に使用される金属板７は、通常は図３、図４に示すように、原料ガスの流通方向８に対して垂直となるように外側流路２に設けられる。この場合、金属板７は、図２（１）〜（３）に示すように、外周１３に二重管の外管５の内径と実質的に同一の径の円弧形状を有するか、または図２（４）に示すように、外周１３に二重管の外管５の内径と実質的に同一径の円形状を有する。また、金属板７は、前記と同様に、内周１２に二重管の内管４の外径と同一径の円弧形状または円形状を有する。
しかし、本発明においては、金属板７は図５に示すように、原料ガスの流通方向８に対して垂直とならないように外側流路２に設けることもできる。その場合、金属板７は、外周１３が、流通方向８に対する傾きに応じて、二重管の外管５と実質的に接触するような楕円の円弧形状または楕円形状に設定される。また、金属板７は、内周１２が、流通方向８に対する傾きに応じて、二重管の内管４と接するような楕円の円弧形状または楕円形状に設定される。
金属板７の原料ガス流通用の切欠部は、１個でも複数個でもよいが、同じ形状の金属板のみを複数個使用する場合は、これを原料ガスの流路内に設置したときに、互いに隣接する金属板の切欠部が重ならないような形状及び大きさに限定される。金属板７の切欠部の面積は、通常は切欠部がない場合の金属板７の面積の５〜４０％、好ましくは１０〜３０％である。金属板の厚さは、通常は０．１〜１．０ｍｍである。尚、金属板を二重管の内管の外側に取付け易くするために、図２（４）に示すように、スリット１４を設けることもできる。
金属板７に使用される金属材料としては、炭素鋼、マンガン鋼、クロム鋼、モリブデン鋼、ステンレス鋼、ニッケル鋼、タングステン鋼等の金属を例示することができるが、これらの中でもステンレス鋼を使用することが好ましい。
本発明において、金属板７は、通常は二重管の外側流路２のフィン６の間隙に設けられるが、図６、図７に示すように、フィン６の機能を兼ね備えた金属板７のみを設けることもできる。
本発明の深冷ガス分離の前処理装置は、例えば、図３〜図５に示すように、金属板７をフィン付の内管４のフィンとフィンの間隙に固定した後、または図６、図７に示すように、フィン６の機能を兼ね備えた金属板７を内管４に固定した後、原料ガスの導入口９及び処理後の原料ガスの排出口１０を有する外管５に挿入することにより製作することができる。尚、二重管の長さは、通常は２０〜２００ｃｍ、二重管の外径は、通常は２〜２０ｃｍである。
本発明において、金属板７を二重管の内管４の外周に固定する際は、隣接する金属板７の切欠部１１が原料ガスの流通方向８において、一部分でも互いに重ならない位置となるように設定される。金属板７の切欠部１１が原料ガスの流通方向８において重なる場合は、原料ガスがその部分を直線的に通過してしまい、冷媒により冷却された金属板７の表面を通過し難くなるので、金属板が原料ガスに含まれる水及び／または二酸化炭素を、その表面において冷却し固着させることが困難になり、原料ガスから水及び／または二酸化炭素を除去できなくなる虞がある。尚、このような切欠部１１の位置関係を有する少なくとも２個の金属板７が設定されれば、その前処理装置は金属板の設定条件については本発明の範囲内である。
また、金属板７の外周１３と二重管の外管５の間には、実質的に間隙がない。また、金属板７の内周１２と二重管の内管４の間は、切欠部１１以外の箇所で隙間がないことが好ましく、また切欠部１１の箇所であっても図２（１）（２）に示すように、切欠の部分が中心部から外周方向に向かって広がった形状であることが好ましい。このような形状とすることにより、冷媒からの冷却効果を効率よく金属板７に伝達することができ、金属板７の表面に、水及び／または二酸化炭素を効率よく冷却、固着させることが可能である。
本発明の深冷ガス分離の前処理方法は、前述の深冷ガス分離の前処理装置の内側流路１に冷媒を流通するとともに、外側流路２に原料ガスを流通し、原料ガスに不純物として含まれる水及び／または二酸化炭素を、外側流路２に設けた金属板７の表面において冷却し固着させることにより、原料ガスから前記成分を除去する方法である。
原料ガスは、水素、ヘリウム、窒素、一酸化炭素、アルゴン、酸素、及び炭化水素から選ばれる２種以上を含むガス、または空気である。本発明の深冷ガス分離の前処理方法において、原料ガスの供給流量及び圧力は特に制限されることはないが、流量は通常は１０〜１０００ｍ３／ｈｒ、圧力は通常は０．０５〜２ＭＰａである。また、製品ガス等の冷媒により、原料ガスの圧力条件下で、原料ガスの排出口１０に到達するまでに、原料ガスに含まれる水または二酸化炭素が凝固するような冷却条件に設定される。
次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明がこれらにより限定されるものではない。
［実施例１］
（深冷ガス分離の前処理装置の製作）
市販の熱交換器から二重管３を取出し、内管４（長さ：１２００ｍｍ、外径：９．５ｍｍ）のフィン６の間隙に、図２（１）に示すような形状のステンレス製の金属板７（内径：９．５ｍｍ、外径：３０ｍｍ、厚さ：０．５ｍｍ）５０個を、図３に示すように隣接する金属板７の切欠部１１が互いに対向する位置となるように取付けた。切欠部の面積は、切欠部がない場合の金属板７の面積の３０％であった。金属板７を取付けた内管４を、原料ガスの導入口９及び処理後の原料ガスの排出口１０を有する外管５（長さ：１１００ｍｍ、内径：３０ｍｍ）に挿入して前処理装置を完成した。
（前処理装置の水除去試験）
前記のように製作した前処理装置の内側流路１内に冷媒が流通するように配管を接続し、外側流路２に原料ガスの供給管及び処理済みガスの取出し管を接続した。また、前処理装置の後段に冷却トラップ装置を設けた。次に、前処理装置の内側流路１に冷媒を流通してフィン６及び金属板７を−１００℃以下に冷却するとともに、外側流路２に原料ガスとして約２０℃の水素（水含有率：１００ｐｐｍ）を１０ｍ３／ｈｒ（ゲージ圧力：０．５ＭＰａ）の流量で２時間供給した。尚、原料ガスは、本発明の趣旨では２種類以上の低沸点ガスを主成分とするものであるが、試験を簡略化するために水素を主成分とするガスを用いた。
試験の実施中、排出口１０から得られた処理済みのガスの水含有率を１０分間隔で測定するともに、冷却トラップ装置において水の凍結に起因する配管詰りによる圧力損失を測定した。その結果、原料ガスの供給開始３０分後には、処理済みのガスの水含有率は安定して１ｐｐｍ以下であった。また、冷却トラップ装置における圧力損失の増加は測定されず、処理済みのガスには後段の装置に不具合を起こすような量の水が含まれていなかったことが確認できた。尚、処理済みガスの温度は−１０℃であった。
［実施例２］
実施例１の深冷ガス分離の前処理装置の製作において、金属板７を図２（２）に示すような形状のものに替えたほかは実施例１と同様にして前処理装置を製作した。尚、金属板７の内径、外径、厚さは、実施例１の金属板と同一で、切欠部の面積は、切欠部がない場合の金属板７の面積の２０％であった。
このように製作した前処理装置について、実施例１と同様にして前処理装置の水除去試験を行なった。その結果、原料ガスの供給開始３０分後には、処理済みのガスの水含有率は安定して１ｐｐｍ以下であった。また、冷却トラップ装置における圧力損失の増加は測定されなかった。
［実施例３］
ステンレス製の内管４（長さ：１２００ｍｍ、外径：９．５ｍｍ）に、図２（４）に示すような形状でフィンの機能を有するステンレス製の金属板７（内径：９．５ｍｍ、外径：３０ｍｍ、厚さ：０．３ｍｍ）５０個を、隣接する金属板７の切欠部１１が互いに４５度ずれた位置となるように等間隔で取付けた。切欠部の面積は、切欠部がない場合の金属板７の面積の２５％であった。金属板７を取付けた内管４を、原料ガスの導入口９及び処理後の原料ガスの排出口１０を有するステンレス製の外管５（長さ：１１００ｍｍ、内径：３０ｍｍ）に挿入して前処理装置を完成した。
このように製作した前処理装置について、実施例１と同様にして前処理装置の水除去試験を行なった。その結果、原料ガスの供給開始３０分後には、処理済みのガスの水含有率は安定して１ｐｐｍ以下であった。また、冷却トラップ装置における圧力損失の増加は測定されなかった。
以上のように、本発明の深冷ガス分離の前処理装置及びそれを用いた前処理方法は、実施例に示すように、熱交換と水の除去を同時に行なうことが可能である。また、水の除去と同様に二酸化炭素の除去も可能である。その結果、深冷ガス分離を行なうための装置が簡素で小型になり、また設置コスト及び操業コストを抑制することができる。
本発明の深冷ガス分離の前処理装置の一例を示す断面構成図 本発明の深冷ガス分離の前処理装置に用いられる金属板の例を示す構成図 本発明における二重管部分の一例を示す一部拡大の断面構成図 本発明における図３以外の二重管部分の一例を示す一部拡大の断面構成図 本発明における図３、図４以外の二重管部分の一例を示す一部拡大の断面構成図 本発明における図３〜図５以外の二重管部分の一例を示す一部拡大の断面構成図 本発明における図３〜図６以外の二重管部分の一例を示す一部拡大の断面構成図
１ 内側流路
２ 外側流路
３ 二重管
４ 内管
５ 外管
６ フィン
７ 金属板
８ 原料ガスの流通方向
９ 原料ガスの導入口
１０ 処理後の原料ガスの排出口
１１ 切欠部
１２ 金属板の内周
１３ 金属板の外周
１４ スリット

Claims (7)

  1. 冷媒を内側流路に流通し、原料ガスをフィン付の外側流路に流通する二重管を備え、原料ガスに不純物として含まれる水及び／または二酸化炭素の除去と熱交換を同時に行なう深冷ガス分離の前処理装置であって、外側流路の断面と同一形状の面を有する環状板に原料ガス流通用の切欠部を設けた金属板を、隣接する金属板の切欠部が原料ガスの流通方向において互いに重ならない位置となるように、外側流路に複数個設けたことを特徴とする深冷ガス分離の前処理装置。
  2. 原料ガスが、水素、ヘリウム、窒素、一酸化炭素、アルゴン、酸素、及び炭化水素から選ばれる２種以上を含むガス、または空気である請求項１に記載の深冷ガス分離の前処理装置。
  3. 金属板をフィンとフィンの間隙に設けた請求項１に記載の深冷ガス分離の前処理装置。
  4. 金属板が、原料ガスに含まれる水及び／または二酸化炭素を、その表面において冷却し固着させることにより、原料ガスから水及び／または二酸化炭素を除去する金属板である請求項１に記載の深冷ガス分離の前処理装置。
  5. 金属板がステンレスからなる請求項１に記載の深冷ガス分離の前処理装置。
  6. 冷媒が冷却された製品ガスである請求項１に記載の深冷ガス分離の前処理装置。
  7. 請求項１に記載の深冷ガス分離の前処理装置の内側流路に冷媒を流通するとともに、外側流路に原料ガスを流通し、原料ガスに不純物として含まれる水及び／または二酸化炭素を、外側流路に設けた金属板の表面において冷却し固着させることにより、原料ガスから前記成分を除去することを特徴とする深冷ガス分離の前処理方法。
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