JP2693220B2

JP2693220B2 - 超高純度酸素製造方法

Info

Publication number: JP2693220B2
Application number: JP1104006A
Authority: JP
Inventors: 孝長村
Original assignee: テイサン株式会社
Priority date: 1989-04-24
Filing date: 1989-04-24
Publication date: 1997-12-24
Anticipated expiration: 2012-12-24
Also published as: JPH02282683A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、微量不純物を含む酸素を精製して超高純度
の酸素を製造する方法に関する。

〔従来の技術〕

高純度の酸素を精製する場合は、一般に、通常の空気
分離装置で得られる酸素を吸着塔等の精製装置によって
処理し、炭化水素、水分、二酸化炭素等の微量不純物を
除去する方法が用いられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、最近の半導体工業等の分野においては、超
高純度の酸素、具体的には99.9999％程度の酸素の需要
が増大しているが、上述の一般的な酸素精製方法では、
99.9％程度の酸素しか得られず、前記需要に応じ得るよ
うな超高純度の酸素は得られない。なぜなら、上述の一
般的な酸素精製方法では、酸素中の微量不純物の一部し
か除去されず、十分に高純度な酸素が得られるものでは
ないからである。

そこで、前記超高純度の酸素が必要な場合は、コスト
高になるにも拘らず、電気分解等を用いた不経済な方法
を利用せざるを得なかった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、
その目的は、超高純度の酸素を低コストにて有効に得る
方法を提供する点にある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る超高純度酸素製造方法は、微不純物を含
む酸素を、精溜部の上方にコンデンサを下方にリボイラ
を具備する第１精溜塔へ導き、該第１精溜塔の前記精溜
部にて精溜を行って、該精溜部の上部又は該上部よりコ
ンデンサ側から高純度の酸素を製出した後、該高純度の
酸素を、精溜部の上方にコンデンサを下方にリボイラを
具備する第２精溜塔へ導き、該第２精溜塔の前記精溜部
にて精溜を行って、該精溜部の下部又は該下部よりも下
側の空間もしくはリボイラの液溜め部から超高純度の酸
素を製出する超高純度酸素製造方法において、前記第１
精溜塔のコンデンサ及び前記第２精溜塔のコンデンサの
各々の寒冷源として液体窒素を使用し、前記第１精溜塔
のコンデンサ及び前記第２精溜塔のコンデンサの各々に
貯留された液体窒素からガス化した窒素ガスを前記第１
精溜塔及び前記第２精溜塔の各々から取り出して、その
少なくとも一部をリサイクルコンプレッサにより圧縮し
た上で、前記第１精溜塔のリボイラ及び前記第２精溜塔
のリボイラの各々に導いて、夫々の加熱源として使用し
た後、各々膨張弁を経由させて、前記第１精溜塔のコン
デンサ及び前記第２精溜塔のコンデンサの各々に導い
て、貯留された前記液体窒素に混合するリサイクル経路
を設けると共に、そのリサイクル経路のうち前記リサイ
クルコンプレッサから前記第２精溜塔のリボイラへ導く
経路に、前記精溜により不純物が濃縮された成分を寒冷
源とする熱交換器を設けてある点に特徴を有している。

〔作用〕

かかる本発明方法による場合、微量不純物を含む酸素
は先ず前記第１精溜塔の精溜部で精溜され、該精溜部の
上部又は該上部よりもコンデンサ側から高純度の酸素が
製出される。即ち、前記第１精溜塔での精溜に基づき、
前記第１精溜塔の下部から、炭化水素、クリプトン、キ
セノン、二酸化炭素、水分等の酸素に比して沸点が高い
微量不純物（以下、高沸点成分という）が除去される一
方、該高沸点成分が除去された高純度酸素は、前記精溜
部の上部又は該上部よりもコンデンサ側から製出され
る。なお、この段階で製出される高純度の酸素中には、
窒素、一酸化炭素、アルゴン等の酸素に比して沸点が低
い微量不純物（以下、低沸点成分という）が未だ含まれ
ている。そして該高純度の酸素は前記第２精溜塔の精溜
部で精溜され、該精溜部の下部又は該下部よりも下側か
ら前記高純度の酸素よりも更に純度の高い超高純度の酸
素がガス状態又は液体状態で製出される。即ち、前記第
２精溜塔の精溜部での精溜に基づき、該精溜部の上部又
は該上部よりもコンデンサ側から前記低沸点成分が除去
される一方、該低沸点成分が前記高純度の酸素から除去
されることによって前記高純度の酸素よりも更に純度が
高くなった超高純度の酸素は、前記精溜部の下部又は該
下部よりも下側からガス状態又は液体状態で製出され
る。

その際、本発明では窒素を用いたリサイクル経路によ
って、コンデンサの寒冷源及びリボイラの加熱源を供給
しているため、安全で熱効率が良く、また各精溜塔に対
して２系統のリサイクル経路構成して、各精溜塔に生じ
る温度差等に対応すべく、精溜により不純物が濃縮され
た成分（廃棄成分等）の熱を有効利用しているため、本
発明のように２段の精溜塔により超高純度酸素を製造す
る方法において、熱効率をより高めることができる。

〔発明の効果〕

従って、本発明方法によれば、最近の半導体工業等の
分野においても利用し得るような超高純度の酸素を、コ
スト高となる電気分解等を用いた方法によらずに有効か
つ安全に得ることができるようになる。

〔実施例〕

以下、本発明方法をその実施に使用する装置を示す図
面に基づいて説明する。

第１図において、（１）は塔底部にリボイラ（1a）
を、塔中間部に精溜部（1c）を、塔頂部にコンデンサ
（1b）を、夫々備える第１精溜塔を示している。そして
該第１精溜塔（１）の塔底部と、図外の空気分離装置に
よって空気から分離して得られた微量不純物を含む被精
製酸素（純度:99.6〜99.0％）を貯留する被精製酸素タ
ンク（10）とは、中途で第１熱交換器（E₁）を経由する
ように配設された配管（P₁）によって接続されており、
前記酸素タンク（10）内に被精製酸素はガス状態のまま
前記配管（P₁）経由で前記塔底部（1d）内へ導かれるよ
うになっている（圧力：約0.5kg/cm²G）。

前記第１精溜塔（１）のリボイラ（1a）は、そこに貯
留する液体酸素をリボイルさせるためのものであるが、
該リボイラ（1a）には、後述するリサイクルコンプレッ
サ（４）を中途介装させ第４熱交換器（E₄）を中途経由
する配管（P₈）がその中途から分岐せしめられてなる配
管（P₁₈）が導入配設されており、該配管（P₁₈）にてリ
サイクル窒素ガスが前記リボイラ（1a）での熱源として
導かれるようになっている。そして該配管8P₁₈）は、前
記リボイラ（1a）を経由した後、中途に膨張弁（16）を
介装させつつ前記第１精溜塔（１）のコンデンサ（1b）
へと導入されており、該配管（P₁₈）により、前記リボ
イラ（1a）での熱源として作用するリサイクル窒素ガス
は、該リボイラ（1a）にて自らは冷却された上で膨張弁
（16）にて更に冷却された後、前記コンデンサ（1b）へ
寒冷源として導かれるようになっている。

前記第１精溜塔（１）のコンデンサ（1b）には、液体
窒素を貯留する窒素タンク（11）より引き出された配管
（P₂）が接続されており、液体窒素は、該配管（P₂）経
由で前記コンデンサ（1b）内へ導かれ（圧力：約2kg/cm
²G）、そこで前記配管（P₁₈）にて導かれる窒素と共に
寒冷源として作用することによって還流液を生成するよ
うになっている。

前記第１精留塔（１）においては、前記被生成酸素タ
ンク（10）内から塔底部（1d）内へ導かれた被精製酸素
ガスと前記リボイラ（1a）にて生じたリボイルガスとが
精溜部（1c）内を上昇するようになる。そして該酸素ガ
スと前記コンデンサ（1b）からの還流液とは、精溜部
（1c）内にて向流接触することとなって精溜が行われ、
該精溜に基づき、前記第１精溜塔（１）の下部（1d）か
らは、そこから引き出された配管（P₃）経由で炭化水
素、クリプトン、キセノン、二酸化炭素、水分等の高沸
点成分が排出除去される一方、該高沸点成分が除去され
た高純度酸素は、前記精溜部（1c）の上部から引き出さ
れた配管（P₄）経由で後に構造を説明する第２精溜塔
（２）の精溜部（2c）内へ導かれるようになっている。

なお、前記第１精溜塔（１）の下部（1d）から引き出
された配管（P₃）は中途で第２熱交換器（E₂）を経由す
るように配設されている。また前記第１精溜塔（１）の
頂部からは配管（P₅）が引き出されており、該配管
（P₅）は、前記第２精溜塔（２）のコンデンサ（2b）頂
部から引き出された配管（P₆）と一体化された上で、中
途で第４熱交換器（E₄）を経由するように配設された配
管（P₇）に接続されている。そして前記配管（P₂）経由
及び前記配管（P₁₈）経由で前記コンデンサ（1b）内へ
導かれて寒冷源として作用する液体窒素は、自らはガス
化して窒素ガスとなった後、リサイクルに必要な窒素ガ
ス以外は余剰窒素ガスとなり、前記配管（P₅），（P₇）
経由で系外へ排出されるようになっている。また前記第
４熱交換器（E₄）を中途で経由する前記配管（P₇）から
は、前記第４熱交換器（E₄）経由後の位置から配管
（P₈）が引き出されているが、該配管（P₈）は、リサイ
クルコンプレッサ（４）を中途介装させた上で、前述し
た第４熱交換器（E₄）及び第２熱交換器（E₂）を中途経
由し、しかも前記第２精溜塔（２）の精溜部（2c）上部
から引き出された配管（P₉）が中途経由するように配置
された第３熱交換器（E₃）をも中途経由するように配設
され、しかもその端末側が精溜塔（２）のリボイラ（2
a）内を通過するように配設されている。そして前記窒
素ガスは、前記配管（P₈）にて配管（P₇）内から分流し
て前記リボイラ（2a）内を通過するように導かれる間
に、前記リサイクルコンプレッサ（４）にて圧縮された
後、前記複数の熱交換器（E₄），（E₂），（E₃）にて熱
交換に寄与する。例えば、前記第４熱交換器（E₄）で
は、前記配管（P₇）内の圧縮前のリサイクル窒素ガスと
の間で、また前記第２熱交換器（E₂）では前記配管
（P₃）内の高沸点成分との間で、また前記第３熱交換器
（E₃）では前記第２精溜塔（２）から排出される配管
（P₉）内の廃ガスとの間で、夫々熱交換が行われる。な
お、前記配管（P₈）の中途から分岐した配管（P₁₈）に
て導かれるリサイクル窒素ガスは、前記リボイラ（1a）
にて熱交換に寄与する。

前記第２精溜塔（２）は、塔中間部に精溜部（2c）
を、塔頂部にコンデンサ（2b）を、塔底部にリボイラ
（2a）を、夫々備えている。

前記第２精溜塔（２）のコンデンサ（2b）には、前記
窒素タンク（11）より出された配管（P₂）の中途から分
岐された配管（P₁₀）が接続されており、液体窒素は、
該配管（P₂），（P₁₀）経由で前記コンデンサ（2b）内
へ導かれ、そこで寒冷源として作用することによって還
流液を生成するようになっている。

前記第２精溜塔（２）の精溜部（2c）においては、前
記第１精溜塔（１）の精溜部（1c）上部から導かれた高
純度酸素と前記リボイラ（2a）に貯留された液体のリボ
イルガスとが合流しつつ上昇するようになる。そしてそ
の合流ガスと前記コンデンサ（2b）からの前記還流液と
は向流接触することとなって精溜が行われ、該精溜に基
づき、前記コンデンサ（2b）からは、その下部（又は前
記精留部（2c）の上部）から引き出された配管（P₉）経
由で窒素ガス、一酸化炭素、アルゴン等の低沸点成分が
排出除去される一方、該低沸成分が除去された（高沸点
成分は既に第１精溜塔（１）で除去されている）超高純
度酸素は、前記リボイラ（2a）底部から引き出された配
管（P₁₂）を経由して液体状態で製出され、精製酸素タ
ンク（12）に回収されるようになっている。なお、前記
超高純度酸素は、前記精溜部（2c）下部から引き出され
た配管（P₁₁）経由でガス状態のままでも取り出すこと
もできる。

なお、前記第２精溜塔（２）のリボイラ（2a）内を経
由する配管（P₈）は、膨張弁（８）経由後、その端末が
前記第２精溜塔（２）のコンデンサ（2b）に接続されて
おり、該配管（P₈）にて導かれる前記リサイクル窒素ガ
スは、前記リボイラ（2a）にて熱源として作用した後、
膨張弁（８）にて膨張冷却されつつ前記コンデンサ（2
b）へ導かれてそこで寒冷源として作用する。そして該
寒冷源としての液体窒素ガスとなって配管（P₆）にて導
かれ、前記配管（P₅）にて導かれる窒素ガスと前記配管
（P₇）にて合流するようになる。

また、図中の（３）はコールドボックスであり、該コ
ールドボックス（３）内には、前記第１精溜塔（１）、
第２精溜塔（２）、熱交換器（E₁），（E₂），（E₃），
（E₄）等、上述の装置の主要部分が一括して収められて
いる。

かかる装置を用いて本発明方法を実施する場合、微量
不純物を含む酸素は先ず第１精溜塔（１）で精溜され、
その精溜部（1c）上部から配管（P₄）経由で高純度の酸
素が製出される。そして該高純度酸素は第２精溜塔
（２）で精溜され、その精溜部（2c）の下側に位置する
リボイラ（2a）の底部から配管（P₁₂）経由で超高純度
の酸素が製出される。

なお、第２精留塔（２）へ送られる高純度酸素は第１
精溜塔（１）の精溜部（1c）よりも上部（例えば、コン
デンサ（1b）下部）からも取り出すことができる。また
微量不純物を含む被精製酸素は、タンク（10）でなくボ
ンベ（図外）に貯留してもよい。

〔別実施例〕

本発明方法は、第２図に示す如く第１精溜塔（１）の
塔底部に被精製酸素ガスを熱源とするリボイラ（1a）を
備えた装置を用いても実施できる。かかる装置において
は、前記被精製酸素タンク（10）より引き出された配管
（P₁）が前記リボイラ（1a）内を通過するように、且
つ、その末端側が膨張弁（５）を経て前記精溜部（1c）
の下部に通じるように接続されている。そして該配管
（P₁）によってリボイラ（1a）内を通過するように導か
れる酸素ガスは、リボイラ（1a）内にて存在する液体を
リボイルさせてリボイルガスを発生させ、自らは冷却さ
れた上で更に前記膨張弁（５）で膨張せしめられ（圧
力：約0.5kg/cm²G）、冷却されて精溜塔（1c）下部へ供
給され、前記リボイルガスと合流するようになってい
る。

また、第３図に示す如く被精製酸素タンク（10）内に
微量不純物を含む液体酸素が貯留されている装置を用い
ても本発明方法は適用できる。この場合、前記第１熱交
換器（E₁）には、リサイクル窒素ガスを導く前記配管
（P₈）から中途分岐された二つの配管（P₁₈），（P₁₉）
のうちの一方の配管（P₁₉）が導入配設されるようにな
っており、該配管（P₁₉）にて導かれる前記リサイクル
窒素ガスと前記タンク（10）から液体酸素との間で熱交
換を行わせる。そして前記液体窒素をガス化した後（圧
力：約0.5kg/cm²G）、前記リサイクル窒素ガス自体は、
配管（P₁₉）中途に介装された膨張弁（13）で更に冷却
された上で前記第１精溜塔（1b）へ導かれるようになっ
ている。また前記中途分岐された配管（P₁₈），（P₁₉）
のうちの他方の配管（P₁₈）は、第１図に示す装置と同
様、前記第１精溜塔（１）のリボイラ（1a）に導入配設
されている。また、前記配管（P₈）自体にて導かれるリ
サイクル窒素ガスは、上述の実施例と同様、前記第２熱
交換器（E₂）及び第３熱交換器（E₂）を経由した後、前
記第２精溜塔（２）のリボイラ（2a）へ導入配設される
ようになっている。なお、前記リサイクル窒素ガスより
生成される液体窒素だけではコンデンサ（1b）での寒冷
源が不足するときには、該液体窒素に加えて前記液体窒
素タンク（11）内からの液体窒素を第３図に示す如くコ
ンデンサ（1b）へ供給する。

また、第４図に示す如く、被精製酸素タンク（10）か
らの液体酸素を前記第１精溜塔（２）の塔底部へ液体窒
素を液体状態のまま供給してもよい。この場合も前記第
１精溜部（１）の塔底部にも前記第２精溜塔（２）のリ
ボイラ（2a）と同様のリボイラ（1a）を設ける必要があ
る。なお、該リボイラ（1a）を通過する窒素は、リボイ
ラ（1a）経由後、膨張弁（６）にて膨張冷却せしめられ
た上で前記コンデンサ（1b）へ寒冷源として供給され
る。

なお、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にす
る為に符号を記すが、該記入により本発明方法は添付図
面によって示される方法に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明方法の実施に使用する装置の配
管系統図である。（１）……第１精溜塔、（1b）……コンデンサ、（1c）
……精留部、（２）……第２精留塔、（2c）……精溜
部。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】微不純物を含む酸素を、精溜部（1c）の上
方にコンデンサ（1b）を下方にリボイラ（1a）を具備す
る第１精溜塔（１）へ導き、該第１精溜塔（１）の前記
精溜塔（1c）にて精溜を行って、該精溜部（1c）の上部
又は該上部よりコンデンサ（1b）側から高純度の酸素を
製出した後、該高純度の酸素を、精溜部（2c）の上方に
コンデンサ（2b）を下方にリボイラ（2a）を具備する第
２精溜塔（２）へ導き、該第２精溜塔（２）の前記精溜
部（2c）にて精溜を行って、該精溜部（2c）の下部又は
該下部よりも下側の空間もしくはリボイラ（2a）の液溜
め部から超高純度の酸素を製出する超高純度酸素製造方
法であって、前記第１精溜塔（１）のコンデンサ（1b）及び前記第２
精溜塔（２）のコンデンサ（2b）の各々の寒冷源として
液体窒素を使用し、前記第１精溜塔（１）のコンデンサ（1b）及び前記第２
精溜塔（２）のコンデンサ（2b）の各々に貯留された液
体窒素からガス化した窒素ガスを前記第１精溜塔（１）
及び前記第２精溜塔（２）の各々から取り出して、その
少なくとも一部をリサイクルコンプレッサ（４）により
圧縮した上で、前記第１精溜塔（１）のリボイラ（1a）
及び前記第２精溜塔（２）のリボイラ（2a）の各々に導
いて、夫々の加熱源として使用した後、各々膨張弁
（８）（16）を経由させて、前記第１精溜塔（１）のコ
ンデンサ（1b）及び前記第２精溜塔（２）のコンデンサ
（2b）の各々に導いて、貯留された前記液体窒素に混合
するリサイクル経路を設けると共に、そのリサイクル経路のうち前記リサイクルコンプレッサ
（４）から前記第２精溜塔（２）のリボイラ（2a）へ導
く経路に、前記精溜により不純物が濃縮された成分を寒
冷源とする熱交換器（E2）（E3）を設けてある超高純度
酸素製造方法。