JP3325805B2 - 空気分離方法および空気分離装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炭化水素の除去さ
れた製品ガスを製造するための空気分離方法およびその
ための装置に関し、さらに詳しくは、炭化水素の濃度が
低減されたガスであって半導体の製造等に用いることの
できる高純度酸素および酸素含有ガスを製造するための
方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】原料空気を精留によって窒素と酸素に分
離して製品窒素を生産する「窒素取りの空気分離装置」
いわゆる「窒素発生装置」によって半導体の製造等に用
いられる高純度窒素を得るために、原料空気中の一酸化
炭素と水素を精留工程の前に触媒反応器によって除去す
る方法が提案されている。例えば、特公平４−６３９９
３号公報には、原料空気を触媒反応に適した９０〜１２
０℃に昇温して触媒反応器に導入し、原料空気中の水素
および精留によっては窒素と分離することが困難な一酸
化炭素と酸素を反応・燃焼させて二酸化炭素と水に転換
することが開示されている。また、この技術と関連し
て、上記の触媒反応器の触媒毒となる炭化水素、二酸化
炭素および水を吸着・除去する吸着塔を触媒反応器の上
流側に設置することが、特開平５−１７２４５８号公報
に開示されている。これらの技術によって、半導体の製
造等に用いられる高純度窒素を製造することが可能であ
る。

【０００３】しかし、窒素発生装置を用いて原料空気か
ら取り出された高純度窒素以外の残ガスは、炭化水素を
約１５〜３０ppm 含有している酸素濃度の高い廃酸素富
化空気であり、吸着塔の再生用ガスとして利用される以
外は何ら有益な用途が無く、有効活用を図ることが求め
られていた。

【０００４】また、製品窒素と製品酸素とを同時に生産
する高圧塔と低圧塔から成るいわゆる複精留塔方式の空
気分離装置においては、原料空気中に炭化水素が含有さ
れていれば、原料空気を精留して窒素と酸素に分離する
過程で沸点の高い成分すなわち製品酸素中に炭化水素が
約１５〜３０ppm の濃度に濃縮される。従って、このよ
うな空気分離装置においては、半導体の製造等に使用可
能な高純度の製品窒素を製造することはできても、半導
体の製造等に使用可能な高純度の酸素を同時に製造する
ことは困難であった。

【０００５】すなわち、一般的な大気としての空気中に
は炭化水素として約１.６ppm のメタン、約０.８ppb の
エタン等が含まれているが、通常の空気分離装置によれ
ば製品酸素中にはメタンが約１５〜３０ppm の高濃度に
濃縮される。しかし、最近の半導体の製造等で必要とさ
れている高純度酸素においては、炭化水素（代表的には
メタン）が約１０ppb 以下の極低濃度に低減されている
必要がある。なお、以下の説明において炭化水素とは、
代表的にはメタンであるが、その他にエタン、プロパン
等の大気成分として一般的に含まれる炭化水素を総称し
たものである。

【０００６】このため、半導体の製造等に必要とされる
炭化水素が含まれない高純度酸素を得るために、（イ）
水を電気分解して酸素と水素を発生させることによって
本質的に炭化水素を含まない酸素ガスを製造し、これを
原料として高純度酸素を製造する、（ロ）空気分離装置
の精留操作方法を改善する、例えば通常の空気分離装置
において主精留塔から抽出された低純度酸素、すなわち
炭化水素を含んでいないが他の不純物を含む液体酸素を
再度精留して酸素濃度を高める、あるいは（ハ）空気分
離装置において液体酸素中の炭化水素を低温吸着にて吸
着除去する、等のことが行われていた。

【０００７】また、空気分離装置において液体酸素中の
炭化水素を除去する目的には、半導体の製造等に使用可
能な高純度酸素を得ることのほかに、精留塔内の酸素中
に炭化水素（メタン）が蓄積・濃縮されて爆発性混合物
が形成されるのを防止して装置の安全性の向上を図ると
いう目的もある。例えば、従来は、液体酸素中に炭化水
素が蓄積されて危険な高濃度になるのを避けるために製
品の液体酸素の一部を放出していたのであるが、この製
品酸素の放出量を少なくすることを目的として、低温吸
着によって炭化水素を除去する方法が特開昭５７−６２
８１号公報に開示されている。これによると、精留塔に
冷却した原料空気を導入する前に、吸着材を充填した切
換え使用型の低温に冷却された吸着器によって炭化水素
を吸着除去する。

【０００８】また、特公平４−１８２２３号公報には、
高純度窒素の製造と並行して高純度酸素を製造するため
に、酸素を精留塔から取り出す経路に酸素中の炭化水素
を吸着除去する吸着塔を設置することが開示されてい
る。さらに、空気分離装置の精留操作方法を改善するこ
とにより炭化水素を除去して高純度酸素を製造すること
が、特開平５−２０３３４５号公報、特開平９−１４８
３２号公報、および特開平７−３０５９５４号公報に開
示されている。特開平５−２０３３４５号公報に開示さ
れている方法は、窒素発生装置から廃棄される酸素富化
空気を二塔から成る再精留塔に導入して再精留すること
により、炭化水素を含まない高純度酸素を製造するもの
である。特開平９−１４８３２号公報にも、同様に窒素
発生装置方式の空気分離装置において、二段階精留によ
り高純度酸素を製造する改良された方法が開示されてい
る。特開平７−３０５９５４号公報に開示されている方
法は、複精留塔方式の空気分離装置において、酸素を含
有するが重質の汚染物（炭化水素等）を含まない酸素ガ
スを主精留塔から抜き出して、続いて補助精留塔にて再
度精留を行う二段階精留によるものである。

【０００９】ここで、従来の複精留塔方式の空気分離装
置の作用を図３を参照して説明する。図３において、フ
ィルタ−（10）を通った原料空気は、圧縮機（11）によ
って所定圧力（３〜１０kg/cm²Ｇ)まで昇圧された後、
加熱器（13）によって触媒反応器（14）における反応温
度である約９０〜１２０℃に昇温される。触媒反応器
（14）では、原料空気中に含まれる微量の一酸化炭素と
水素が触媒反応により空気中の酸素と反応して二酸化炭
素と水に転換される。触媒反応器（14）を出た原料空気
は冷却器（15）によって常温まで冷却される。冷却器
（15）を出た原料空気はモレキュラ−シ−ブ等の吸着剤
が充填された切換え使用型の吸着塔（18）に導入され、
原料空気中の二酸化炭素と水が吸着・除去される。吸着
塔（18）を出た原料空気（30）は、再生式のリバ−ス熱
交換器（19）において極低温に冷却された後、精留塔
（20）の下部塔（21）に導入される。

【００１０】下部塔（21）では予備精留が行われ、下部
塔（21）の下部に酸素含有量の多い液体酸素（40）が分
離され、上部に窒素が分離される。このうち酸素含有量
の多い液体酸素（40）は、導管（60）と膨張弁（25）を
介して上部塔（22）に導入される。下部塔（21）の上部
側に分離される窒素ガスは、その一部が高純度の製品窒
素（33）として取り出される。残部の一部は、上部塔
（22）における液体酸素の蒸発用と下部塔（21）におけ
る窒素の凝縮用を兼ねた分縮器（23）において凝縮・液
化されて下部塔（21）に戻り、更に残りの部分（42）は
導管（62）と膨張弁（24）を介して上部塔（22）に移送
される。

【００１１】上部塔（22）に供給された酸素含有量の多
い液体酸素（40）および液体窒素（42）は、上部塔（2
2）において精留されることにより、上部塔（22）の下
部に液体酸素が貯留すると共に上部に窒素が分離され
る。また、窒素は上部塔（22）の塔頂から導管（54）を
介してリバ−ス熱交換器（19）に導入され、原料空気と
熱交換して昇温した後、導管（55）から廃窒素（35）と
して大気中に放出される。

【００１２】なお、リバ−ス熱交換器（19）での原料空
気（30）の液化用の寒冷源（図示せず）としては、精留
塔（20）内の一部から取りだしたガス流れを利用して膨
張タ−ビンによって発生させた冷熱や、液体酸素、液体
窒素、液体空気等の外部冷熱源が用いられる。

【００１３】酸素の再精留は以下のようにして行われ
る。下部塔（21）の一部から第１の酸素含有流れとして
炭化水素を実質的に含まない酸素含有流れを抜き出し、
導管(61)、膨張弁（28）を介して再精留塔（27）の上部
に導入する。上部塔（22）の下部近傍から第２の酸素含
有流れとして、窒素、アルゴン、および酸素（９０％以
上）からなるガス流れを抜き出し、導管（65）を介して
再精留塔（27）の下部に導入される。この第２の酸素含
有流れは、再精留塔（27）の塔底液を加熱するために塔
底部に供給される。

【００１４】再精留塔（27）の塔頂からの流れ（44）と
塔底からの流れ（43）は、上部塔（22）の塔内のガス組
成が同じような位置にそれぞれ戻される。再精留塔（2
7）の中間位置から、炭化水素を含有しない高純度酸素
（46）が取り出される。

【００１５】このように、再精留塔を用いて炭化水素を
含まない酸素を得る従来技術は、酸素の濃度がやや低下
するが実質的に炭化水素を含んでいない酸素を下部塔
（21）から（導管（61）を介して）回収することを基本
にしている。

【００１６】しかし、空気分離装置において主精留塔か
ら抽出した低純度液体酸素を補助精留塔で再精留する方
法については、設備コストが増大し製品酸素ガスの価格
が高くなること、運転操作が複雑になる等の問題があっ
た。また、製品酸素中に許容される炭化水素の濃度が低
ければ低い程、炭化水素の濃度が比較的低濃度ではある
が許容限度を超える炭化水素を含有する液化酸素を廃棄
する量が増大するために、高純度酸素の収率が低下する
こととなり、結果として製造コストが高くなり不経済で
あるという不都合があった。

【００１７】また、空気分離装置において低温に冷却し
た吸着塔によって炭化水素を吸着・除去する方法におい
ては、冷却した吸着塔の再生を行うのに低温下で単に真
空引きしただけでは再生が不十分であり、次第に吸着能
力が低下するという問題があった。定期的に切換え使用
する吸着塔を低温の状態から加熱・再生するとしても、
熱損失が大きく不経済であった。また、低温吸着によっ
て炭化水素を約１０ppb 以下の極低濃度まで除去するこ
とは吸着性能の面から困難であった。

【００１８】また、水を電気分解して発生させた酸素を
原料にして炭化水素を含まない高純度酸素を製造する方
法においては、水電解槽等の電解酸素の発生現場で製造
した酸素を高圧ガス容器に充填し、あるいは酸素ガスを
液化させて液体酸素として、使用現場である半導体製造
工場等のユ−ザーまで運搬する必要があり、運搬流通コ
ストが増大する。そのためユーザーが遠隔地にあって高
純度酸素を大量に使用する場合には、ガスの供給が困難
である等の問題があった。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】従って、原料空気を精
留塔に導入する前に空気中の炭化水素を約１０ppb 以下
の極低濃度になるまで効率よく除去し、精留塔内で分離
生成された窒素と酸素のいずれにも炭化水素が含まれて
いないようにすることが可能な、従来技術を大幅に改良
した空気分離方法の提供が求められていた。

【００２０】すなわち本発明の目的は、高純度窒素を製
造すると同時に、炭化水素の濃度が低減されて半導体の
製造等に必要とされる高純度酸素および酸素含有ガスを
効率良く製造することのできる、安価な設備で運転操作
が簡便な空気分離方法およびそのための装置を提供する
ことである。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明によれば、圧縮された原料空気を冷却した後
に精留塔に導入し、精留塔において原料空気を沸点の温
度差によって窒素と酸素に分離する空気分離方法であっ
て、原料空気を強制的に移送する工程と、原料空気を後
述の触媒反応工程を経た原料空気の保有する熱エネルギ
ーを回収するための熱交換器において予熱する工程と、
予熱された原料空気を更に加熱する工程と、加熱されて
昇温した原料空気中に含まれる微量の炭化水素、一酸化
炭素および水素を触媒を用いて原料空気中の酸素と反応
させて二酸化炭素と水に転換させる触媒反応工程と、原
料空気を常温まで冷却し、次いで圧縮する工程と、原料
空気を常温まで冷却し、次いで原料空気中の二酸化炭素
と水を吸着によって除去する工程、および原料空気を精
留塔に導入して窒素と酸素に分離する工程、を含むこと
を特徴とする方法が提供される。

【００２２】また上記の方法を遂行するための本発明の
空気分離装置は、圧縮された原料空気を熱交換器によっ
て冷却した後に精留塔に導入し、精留塔において原料空
気を沸点の温度差によって窒素と酸素に分離する装置で
あって、原料空気を強制的に移送する送風機と、該送風
機により移送されて加熱器に導入される前の原料空気と
前記加熱器の下流にある触媒反応器を出た高温度の原料
空気との熱交換により加熱器に導入する前の原料空気を
予熱するための熱交換器と、予熱された原料空気を更に
触媒反応器での反応に適した温度まで加熱するための加
熱器と、加熱されて昇温した原料空気中に含まれる微量
の炭化水素、一酸化炭素および水素を原料空気中の酸素
と反応させて二酸化炭素と水に転換させる触媒反応器
と、触媒反応器を出て熱交換器を通過することによって
冷却された原料空気を更に常温まで冷却するための第１
の冷却器と、該第１の冷却器を出た原料空気を圧縮する
圧縮機と、圧縮された原料空気を常温まで冷却するため
の第２の冷却器と、圧縮され冷却された原料空気中の二
酸化炭素と水を除去するための切換え使用型の吸着塔、
および該吸着塔を出た原料空気を窒素と酸素に分離する
ための精留塔、を備えたことを特徴とする。

【００２３】一般に、高温・高圧の過酷な運転条件下で
使用される熱交換器、触媒塔等の圧力容器や配管は、運
転圧力及び運転温度に応じた適切な構造材料を選定し、
耐圧構造や寸法が最適となるように機器・配管の設計、
製作が行われたものが設備される。運転圧力が高い程、
また運転温度が高い程、機器や配管の構造材料は高い強
度が必要となり、肉厚の厚い材料や耐熱温度の高い材料
を使用することになる。従って、高温・高圧下で使用す
る装置の機器は、材料費と製作費が増加し、必然的に設
備コストが増大することになる。

【００２４】そこで本発明者は、これらのことと上記の
解決すべき課題とに鑑み、鋭意研究を重ねた結果、触媒
を用いて空気中に含まれる炭化水素と酸素とを反応させ
る酸化反応の速度に及ぼす反応圧力の影響は少なく、反
応圧力が大気圧近辺であるときの反応速度と通常の空気
分離装置における空気圧縮機の吐出圧力である３〜１０
kg/cm²Ｇのときの反応速度を比較しても大差が無いこと
を見いだした。また、触媒反応器の運転温度が高いほど
反応速度が速くなり、単位触媒量当たりの処理ガス量で
ある空間速度（ＳＶ値）を大きな値とすることができる
が、むやみに反応温度を高くすることなく反応温度を３
５０〜５５０℃にすれば、工業的に採用できる妥当な反
応速度が得られることを見い出した。

【００２５】そこで、原料空気を精留塔に導入する経路
に送風機、熱交換器、加熱器、および触媒反応器を順に
配置し、触媒反応に必要な反応温度（３５０〜５５０
℃）において可能な限り大気圧に近い圧力下で触媒反応
器を運転すれば非常に低い圧力で運転されることにな
り、温度条件は比較的高温であるとしても圧力条件が緩
和されるので、高温・高圧の過酷な運転条件が重なる場
合に比べて非常に安価な熱交換器、触媒塔等の機器設備
で済むこととなり、設備コストを著しく削減することが
可能となる。

【００２６】また、上記触媒反応器を圧縮機の上流側に
設置し、触媒反応器から圧縮機までの機器・配管経路に
おいて、運転圧力を常に大気圧よりも高い圧力である約
０.００５〜０.５kg/cm²Ｇ、より好ましくは０.０１〜
０.２kg/cm²Ｇとすることにより、機器・配管の内部が
負圧となる場合に比べて、触媒反応器によって浄化され
た原料空気に機器・配管の接続部分等からのガス漏洩に
より外気（大気）が侵入して炭化水素（メタン）、一酸
化炭素、または水素の濃度が上昇する不具合を低減でき
る。さらに、機器・配管内を微小の正圧に保持して運転
する場合は、機器・配管を耐負圧構造にしないで済むの
で、装置・機器の構造を非常に簡単にすることができ
る。

【００２７】また、原料空気を空気分離装置の精留塔に
導入する前に空気中の炭化水素が除去されているので、
従来の空気分離装置に比べて再精留塔等の追加設備投資
を行なわないで済み、安価な設備で、炭化水素の濃度が
低減されて半導体製造等に必要な高純度酸素及び酸素含
有ガスを製造することができる。

【００２８】本発明を有効に活用すれば、既存の空気分
離装置であって炭化水素を含んだ製品ガスしか製造でき
ないものについても、送風機、熱交換器、加熱器、触媒
反応器、冷却器等を既存設備に隣接させて追加設備する
ことによって、炭化水素の濃度が低減されて半導体の製
造等に必要な高純度酸素及び酸素含有ガスを製造するこ
とが可能な設備に機能を高めることが可能となり、当業
界における産業上の利用価値は非常に大きいと言える。

【００２９】本発明を複精留塔方式の空気分離装置に適
用すれば、従来に比べて安価な設備で運転操作が簡便な
空気分離装置を提供することが可能となり、高純度窒素
の製造と同時に半導体の製造等に使用できる高純度酸素
及び酸素含有ガスを経済的に製造できる。

【００３０】また、本発明を窒素発生装置としての空気
分離装置に適用すれば、従来、廃窒素（実際には酸素濃
度が高い酸素・窒素混合ガス）として放出していた酸素
濃度の高い乾燥ガス中の炭化水素を約１０ppb 以下の極
低濃度まで除去することができる。この炭化水素を含ま
ない廃窒素に窒素を添加混合して空気と同じ酸素濃度に
調整すれば、半導体の製造等の各種工業分野で利用でき
る代用乾燥空気として活用できる。

【００３１】なお、窒素発生装置の運転操作方法を工夫
することにより、炭化水素が除去された原料空気を製品
乾燥空気として取り出すことが、特開平８−８６５６４
号公報に開示されている。しかし、この場合は炭化水素
が酸素富化空気の側に濃縮されることが改善されておら
ず、酸素富化空気の一部しか製品乾燥空気に利用できな
いので、製品乾燥空気の収率は低い値となってしまう。
それに比べて、本発明においては、精留塔に導入する以
前に原料空気中の炭化水素が除去されているので酸素富
化空気の側に濃縮される炭化水素は全く無い。従って、
廃棄する酸素富化空気の全量を製品乾燥空気として利用
することが可能である。

【００３２】本発明は、触媒反応に必要な反応温度（３
５０〜５５０℃）において可能な限り大気圧に近い圧力
下で触媒反応器を運転し、原料空気中に含まれる炭化水
素（メタン）、一酸化炭素、及び水素を空気中の酸素と
反応させて二酸化炭素と水に転換した後、圧縮機によっ
て昇圧して切換え使用型の吸着塔に導入して二酸化炭素
と水を除去した原料空気を得た後、この原料空気を精留
塔に導入するものである。精留塔では、原料空気は沸点
の温度差により窒素と酸素に分離される。

【００３３】本発明は上記の通り、精留塔に導入する以
前に原料空気中の炭化水素を除去することを特徴として
おり、精留塔に付属する機器の構成によって本発明の本
質的な効果が左右されるものではない。従って、本発明
をあらゆる機器構成の精留塔に適用できることはいうま
でもない。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下に実施例に基づいて本発明を
詳細に説明する。

【００３５】実施例 １ 本発明の実施例の１つとして、空気分離装置が複精留塔
方式の場合の基本的な概略構成図を図１に示す。

【００３６】図１において、フィルタ（10）を通して導
入された原料空気は、送風機（16）によって移送され
る。原料空気は、加熱器（13）に導入される前に、触媒
反応器（14）を出た高温の空気と熱交換器（12）におい
て熱交換することにより予熱される。なお、触媒反応器
（14）から圧縮機（11）までの機器・配管経路におい
て、運転圧力は常に大気圧よりも高い圧力である約０.
００５〜０.５ kg/cm²Ｇであるのが好ましく、より好ま
しくは約０.０１〜０.２ kg/cm²Ｇである。この圧力は
原料空気を送風機（16）によって強制的に移送すること
によって得られる。

【００３７】次に、熱交換器（12）において予熱された
原料空気は、更に加熱器（13）によって触媒反応に必要
な温度である３５０〜５５０℃まで昇温される。加熱器
（13）の加熱源としては、電気ヒ−タ、液体燃料バ−
ナ、気体燃料バ−ナ等の中から適宜選択して使用するこ
とが可能である。次いで、原料空気は触媒反応器（14）
に導入され、原料空気中に含まれる微量の炭化水素（主
としてメタン）、一酸化炭素および水素は、空気中の酸
素と反応して二酸化炭素と水に転換される。上記の反応
温度を用いる場合、触媒反応器（14）に充填した触媒
は、Ｐt、Ｐd およびＲh から１種以上を選択してアル
ミナ等の担体に担持させたものであるのが好ましい。

【００３８】触媒反応器（14）を出た原料空気は、熱交
換器（12）において、加熱器（13）に導入される前の原
料空気との熱交換により冷却された後、更に第１の冷却
器（15）によって常温まで冷却される。冷却器（15）を
出た原料空気は、圧縮機（11）によって所定圧力（３〜
１０kg/cm²Ｇ）まで昇圧された後、第２の冷却器（17）
によって常温まで冷却される。冷却された原料空気は、
ドレン分離器（図示せず）によってドレンが分離された
後、モレキュラ−シ−ブ等の吸着剤が充填された切換え
使用型の吸着塔（18）に導入されて、原料空気中の二酸
化炭素と水が吸着除去される。なお、吸着塔（18）は加
熱再生方式のものであっても圧力スイング方式のいずれ
であっても良い。

【００３９】吸着塔（18）を出た原料空気（30）は、再
生式のリバ−ス熱交換器（19）において極低温に冷却さ
れた後、精留塔（20）の下部塔（21）に導入される。下
部塔（21）では予備精留が行われ、下部塔（21）の下部
に酸素含有量の多い液体酸素が、上部に窒素が分離され
る。このうち酸素含有量の多い液体酸素（40）は、導管
（60）と膨張弁（25）を介して上部塔（22）に移送され
る。下部塔（21）の上部側に分離される窒素ガスは、そ
の一部が高純度の製品窒素（33）として取り出される。
残部の一部は、上部塔（22）における液体酸素の蒸発用
と下部塔（21）における窒素の凝縮用を兼ねた分縮器
（23）において凝縮・液化されて下部塔（21）内を下降
し、更に残りの部分（42）は導管（62）と膨張弁（24）
を介して上部塔（22）に移送される。

【００４０】上部塔（22）に供給された酸素含有量の多
い液体酸素（40）および液体窒素（42）は、上部塔（2
2）において精留されることにより、上部塔（22）の下
部に液体酸素が貯留すると共に上部に窒素が分離され
る。このうち液体酸素は炭化水素を含まない高純度の製
品酸素ガス（47）として導管（67）から取り出される。
なお、必要に応じて上部塔（22）の下部に溜まる液体酸
素は、そのまま液体の状態で導管（67）よりも下側の位
置に設けた導管（図示せず）から取り出すことができ
る。また、窒素は上部塔（22）の塔頂から導管（54）を
介してリバ−ス熱交換器（19）に導入され、原料空気と
熱交換して昇温した後、導管（55）から廃窒素（35）と
して大気中へ放出される。

【００４１】なお、リバ−ス熱交換器（19）で用いられ
る原料空気の液化用の寒冷源（図示せず）としては、精
留塔内の一部から取りだしたガス流れを利用して膨張タ
−ビンによって発生させた冷熱や、液体酸素・液体窒素
・液体空気等の外部冷熱源を用いることが知られている
が、適宜選択していずれの方法を用いてもよい。

【００４２】以上においては複精留塔方式の空気分離装
置によって原料空気を窒素と酸素とに分離することを説
明したが、必要に応じて上部塔（22）の一部からアルゴ
ン含有量の多い液体流れを取り出して、別途設けたアル
ゴン精留塔によって製品アルゴンを併産することも可能
である。

【００４３】製品酸素（47）及び製品窒素（33）の流体
中には炭化水素が実質的に含まれていない（数ppb 以
下）ので、これらをそのまま半導体の製造等に使用する
ことができる。それと共に、酸素を含有する廃窒素（3
5）中にも炭化水素が実質的に含まれていないので、こ
れも次の通り有効に活用できる。

【００４４】例えば、特開平８−８６５６４号公報には
乾燥空気の代用として窒素発生装置から炭化水素の除去
された空気を得る方法が開示されているが、本発明によ
る廃窒素（35）についてもこのような乾燥空気の代用と
して利用できる。なお、必要に応じて廃窒素中の酸素濃
度は窒素を添加して希釈調整することが可能である。ま
た、必要に応じて吸着塔（18）を出た炭化水素の除去さ
れた原料空気も、このような乾燥空気として利用でき
る。

【００４５】実施例 ２ 本発明の他の実施例として、空気分離装置が窒素発生装
置の場合の基本的な概略構成図を図２に示す。

【００４６】図２において、原料空気（30）が吸着塔
（18）を出るまでは上記の実施例１と同様な操作によっ
て処理される。吸着塔（18）を出た原料空気は、再生式
のリバ−ス熱交換器（19）において極低温に冷却された
後、精留塔（20）の下部に導入される。

【００４７】精留塔（20）において、原料空気は、精留
塔（20）の底部における酸素含有量の多い液体酸素（4
0）と、精留塔（20）の塔頂における実質的に純粋な高
純度窒素に分離される。高純度窒素の一部がリバ−ス熱
交換器（19）において常温まで加熱され、製品窒素（3
3）として取り出され、残部は凝縮器（26）によって液
化されて精留のための還流用の液体窒素として精留塔
（20）に戻される。

【００４８】精留塔（20）の底部から取り出される酸素
含有量の多い液体酸素（40）は、導管（60）、膨張弁
（25）を介して凝縮器（26）に導入され、窒素ガスを液
化するための寒冷源として利用された後、気化してリバ
−ス熱交換器（19）に導入され、原料空気と熱交換して
昇温した後、導管（55）から廃窒素（35）として大気中
へ放出される。

【００４９】なお、図１に示した実施例と同様に、リバ
−ス熱交換器（19）で用いられる原料空気の液化用の寒
冷源（図示せず）としては、精留塔内の一部から取りだ
したガス流れを利用して膨張タ−ビンによって発生させ
た冷熱や、液体酸素・液体窒素・液体空気等の外部冷熱
源を用いることが知られているが、適宜選択していずれ
の方法を用いてもよい。

【００５０】廃窒素（35）の流体中には炭化水素が実質
的に含まれていない（数ppb 以下）ので、これを、図１
に示した実施例と同様に、乾燥空気の代用として利用で
きる。なお、必要に応じて廃窒素中の酸素濃度は窒素を
添加して希釈調整することが可能である。また、必要に
応じて吸着塔（18）を出た炭化水素の除去された原料空
気も、このような乾燥空気として利用できる。

【００５１】

【発明の効果】本発明によれば、空気分離装置の精留塔
が複精留塔方式である場合において、製品酸素及び製品
窒素の流体には、炭化水素が実質的に含まれていない
（数ppb以下）ので、これらをそのまま半導体製造等に
使用することができると共に、酸素を含有する廃窒素も
乾燥空気の代用として利用できる。

【００５２】また、空気分離装置の精留塔が窒素発生装
置である場合において、製品窒素を得ると共に、従来は
大気中へ放出していた原料空気のおよそ半量に相当する
廃窒素を乾燥空気の代用等を用途として完全に利用する
ことが可能となった。従って、エネルギ−資源の有効活
用を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】精留塔が複精留塔方式である場合の本発明の空
気分離装置の概略構成図である。

【図２】精留塔が窒素発生装置である場合の本発明の空
気分離装置の概略構成図である。

【図３】精留塔が複精留塔方式である場合の従来の空気
分離装置の概略構成図である。

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮された原料空気を冷却した後に精留
   塔に導入し、精留塔において原料空気を沸点の温度差に
   よって窒素と酸素に分離する空気分離方法において、 原料空気を強制的に移送する工程と、 原料空気を後述の触媒反応工程を経た原料空気の保有す
   る熱エネルギーを回収するための熱交換器において予熱
   する工程と、 予熱された原料空気を更に加熱する工程と、 加熱されて昇温した原料空気中に含まれる微量の炭化水
   素、一酸化炭素および水素を触媒を用いて原料空気中の
   酸素と反応させて二酸化炭素と水に転換させる触媒反応
   工程と、 原料空気を常温まで冷却し、次いで圧縮する工程と、 原料空気を常温まで冷却し、次いで原料空気中の二酸化
   炭素と水を吸着によって除去する工程、および原料空気
   を精留塔に導入して窒素と酸素に分離する工程、を含む
   ことを特徴とする空気分離方法。
2. 【請求項２】 前記触媒がＰt、Ｐd およびＲh から１
   種以上を選択してアルミナ等の担体に担持させたもので
   ある、請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 前記触媒を用いて原料空気中の成分を転
   換させる工程が３５０℃〜５５０℃の反応温度において
   行われる、請求項１または２に記載の方法。
4. 【請求項４】 前記触媒を用いて原料空気中の成分を転
   換させる工程およびそれに続いて冷却を行う工程が、大
   気圧よりも高い圧力である約０.００５〜０.５ kg/cm²
   Ｇにおいて行われる、請求項１ないし３のいずれかに記
   載の方法。
5. 【請求項５】 前記圧力が約０.０１〜０.２ kg/cm²Ｇ
   である、請求項４に記載の方法。
6. 【請求項６】 圧縮された原料空気を熱交換器によって
   冷却した後に精留塔に導入し、精留塔において原料空気
   を沸点の温度差によって窒素と酸素に分離する空気分離
   装置において、 原料空気を強制的に移送する送風機（16）と、 送風機（16）により移送されて加熱器（13）に導入され
   る前の原料空気と加熱器（13）の下流にある触媒反応器
   （14）を出た高温度の原料空気との熱交換により加熱器
   （13）に導入する前の原料空気を予熱するための熱交換
   器（12）と、 予熱された原料空気を更に触媒反応器（14）での反応に
   適した温度まで加熱するための加熱器（13）と、 加熱されて昇温した原料空気中に含まれる微量の炭化水
   素、一酸化炭素および水素を原料空気中の酸素と反応さ
   せて二酸化炭素と水に転換させる触媒反応器（14）と、 触媒反応器（14）を出て熱交換器（12）を通過すること
   によって冷却された原料空気を更に常温まで冷却するた
   めの第１の冷却器（15）と、 第１の冷却器（15）を出た原料空気を圧縮する圧縮機
   （11）と、 圧縮された原料空気を常温まで冷却するための第２の冷
   却器（17）と、 圧縮され冷却された原料空気中の二酸化炭素と水を除去
   するための切換え使用型の吸着塔（18）、および吸着塔
   （18）を出た原料空気を窒素と酸素に分離するための精
   留塔（20）を備えたことを特徴とする空気分離装置。
7. 【請求項７】 触媒反応器（14）に充填した触媒がＰ
   t、Ｐd およびＲh から１種以上を選択してアルミナ等
   の担体に担持させたものである、請求項６に記載の装
   置。
8. 【請求項８】 触媒反応器（14）が３５０℃〜５５０℃
   の反応温度において使用される、請求項６または７に記
   載の装置。
9. 【請求項９】 触媒反応器（14）から圧縮機（11）まで
   の経路に配置された機器および配管内の運転圧力が、常
   に大気圧よりも高い圧力である約０.００５〜０.５ kg/
   cm²Ｇであるように、原料空気が送風機（16）によって
   強制的に移送される、請求項６ないし８のいずれかに記
   載の装置。
10. 【請求項１０】 前記運転圧力が約０.０１〜０.２ kg/
    cm²Ｇである、請求項９に記載の装置。
11. 【請求項１１】 精留塔（20）が、主として高純度窒素
    を製造するために原料空気を窒素と酸素に分離する窒素
    発生装置である、請求項６ないし１０のいずれかに記載
    の装置。
12. 【請求項１２】 精留塔（20）が、原料空気から高純度
    窒素と高純度酸素とを同時に製造するための複精留塔で
    ある、請求項６ないし１０のいずれかに記載の装置。