JP4918255B2 - Nitrogen gas generator - Google Patents
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Description
本発明は、安価で簡単なシステムで窒素リッチなガスを発生することができる窒素ガス発生装置に関する。 The present invention relates to a nitrogen gas generator capable of generating nitrogen-rich gas with an inexpensive and simple system.
近年、電子・半導体、化学、金属、食品分野において、酸化防止等の目的で不活性ガスとして窒素の利用が数多く行われている。これらの目的で窒素を利用する場合の窒素供給手段は、一般的に、高圧窒素ボンベや、PSA(Pressure Swing Adsorption)方式または中空糸膜方式の窒素ガス発生装置が用いられている(例えば、特開平7−183040号公報など)。しかしながら、このようなボンベまたは装置では、重量および容積が非常に大きく、システムが大型化するという問題がある。特に、PSA方式または中空糸膜方式の窒素ガス発生装置は、供給空気を0.5MPa程度まで昇圧する必要があり、そのためにコンプレッサーを設置すると多大な電力を消費し、騒音も発生するという問題がある。 In recent years, in the fields of electronics / semiconductors, chemistry, metals, and foods, nitrogen is frequently used as an inert gas for the purpose of preventing oxidation. When nitrogen is used for these purposes, generally, a high-pressure nitrogen cylinder, a PSA (Pressure Swing Adsorption) type, or a hollow fiber membrane type nitrogen gas generator is used (for example, a special-purpose nitrogen supply unit). (Kaihei 7-183040). However, such a cylinder or apparatus has a problem that the weight and volume are very large, and the system becomes large. In particular, the PSA type or hollow fiber membrane type nitrogen gas generator needs to increase the pressure of the supplied air to about 0.5 MPa. Therefore, if a compressor is installed, a large amount of power is consumed and noise is also generated. is there.
なお、中空糸膜を通過させて得た低酸素濃度の窒素リッチガスを更に高純度化するために、鉄粉を用いてこの窒素リッチガス中の酸素を吸収することが提案されている(特開2003−119009号公報)。しかしながら、この方法では、鉄粉による酸素除去の前に、中空糸膜を用いて窒素リッチガスを得る必要があることから、大型化や電力の大量消費という上記の問題は解決されていない。
そこで本発明は、上記の問題点を鑑み、軽量かつコンパクトで安価な窒素ガス発生装置を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a light, compact and inexpensive nitrogen gas generator.
上記の目的を達成するために、本発明に係る窒素ガス発生装置は、空気中の酸素と化合して空気中から酸素を除去し、窒素リッチガスを生成する酸素吸収剤を収容するカートリッジと、前記空気を大気中から加熱せずに前記カートリッジ内へと導入するための導入部とを含んでなり、前記カートリッジが前記導入部に対して着脱可能であり、前記酸素吸収剤が、第1の金属である鉄又は酸化鉄と、チタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ、クロム、モリブデン、アルミニウム、ガリウム、マグネシウム、スカンジウム、ニッケル、銅及びネオジムからなる第2群から選ばれた少なくとも1つの金属、又はロジウム、イリジウム、ルテニウム、パラジウム及びプラチナからなる第3群から選ばれた少なくとも1つの金属とを含んでなり、共沈法により調製されたものであることを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, a nitrogen gas generator according to the present invention comprises a cartridge containing an oxygen absorbent that combines with oxygen in air to remove oxygen from the air and generate a nitrogen-rich gas; air comprises a introduction portion for introducing into the said cartridge without heating from the atmosphere, Ri detachably der the cartridge relative to the inlet portion, the oxygen absorbing agent is first At least one metal selected from the second group consisting of iron or iron oxide as a metal and titanium, zirconium, vanadium, niobium, chromium, molybdenum, aluminum, gallium, magnesium, scandium, nickel, copper, and neodymium, or rhodium And at least one metal selected from the third group consisting of iridium, ruthenium, palladium and platinum, It is characterized in that one prepared by the law.
PSA方式や中空糸膜方式の窒素ガス発生装置では、空気を昇圧するためのコンプレッサーが必要となり、コスト、サイズ、電力、騒音の点で問題があったが、本発明によれば、上記酸素吸収剤の酸化反応は大気圧で進行するため、高い圧力に昇圧する必要がなく、よって軽量かつコンパクトで安価に高濃度の窒素を、酸素吸収剤のみで、発生することができる。また、酸素吸収剤を着脱可能なコンパクトなカートリッジに充填することで、使用済みの劣化した酸素吸収剤をカートリッジごと新しいものに交換することができる。大量の窒素を必要とする場合、コンパクトな交換用のカートリッジのみ多く保有すればよい。 The PSA type or hollow fiber membrane type nitrogen gas generator requires a compressor for increasing the pressure of air, and there are problems in terms of cost, size, power, and noise. Since the oxidation reaction of the agent proceeds at atmospheric pressure, it is not necessary to increase the pressure to a high pressure, and thus high concentration of nitrogen can be generated only with an oxygen absorbent at a light weight, compact and inexpensive. In addition, by filling the detachable compact cartridge with the oxygen absorbent, the used and deteriorated oxygen absorbent can be replaced with a new cartridge. If a large amount of nitrogen is required, it is sufficient to have a large number of compact replacement cartridges.
また、鉄(Fe)、マグネシウム(Mg)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、セリウム(Ce)、スズ(Sn)及びインジウム(In)からなる第1群の金属は、空気中の酸素により酸化する他の金属と比較して、酸化速度が速いとともに高原子価の金属酸化物を形成するため、窒素濃度95%以上、好ましくは98%以上の窒素リッチガスを生成することが可能である。また、上記の第1群の金属は、酸化還元の繰り返しに対する耐久性にも優れている。これらの中でも特に鉄及び酸化鉄(Fe、FeO、Fe3O4)は、空気中の酸素と適度な速度で反応を進行するため、安全であり、反応を制御しやすく、また、非常に安価である。鉄及び酸化鉄と酸素との反応を以下に示す。 In addition, the first group of metals consisting of iron (Fe), magnesium (Mg), gallium (Ga), germanium (Ge), cerium (Ce), tin (Sn), and indium (In) is caused by oxygen in the air. compared to other metal oxide, to form a high-valence metal oxide with a fast rate of oxidation, the nitrogen concentration of 95% or more, preferably capable of producing more than 98% of the nitrogen-rich gas . The first group of metals is also excellent in durability against repeated redox. Among these, iron and iron oxide (Fe, FeO, Fe 3 O 4 ) are safe, easy to control, and very inexpensive because the reaction proceeds with oxygen in the air at an appropriate rate. It is. The reaction of iron and iron oxide with oxygen is shown below.
Fe+3/4O2→1/2Fe2O3
FeO+1/4O2→1/2Fe2O3
Fe3O4+1/4O2→3/2Fe2O3
Fe+1/2O2→FeO
Fe+2/3O2→1/3Fe3O4
FeO+1/6O2→1/3Fe3O4
Fe + 3 / 4O 2 → 1 / 2Fe 2 O 3
FeO + 1 / 4O 2 → 1 / 2Fe 2 O 3
Fe 3 O 4 + 1 / 4O 2 → 3/2 Fe 2 O 3
Fe + 1 / 2O 2 → FeO
Fe + 2 / 3O 2 → 1 / 3Fe 3 O 4
FeO + 1 / 6O 2 → 1 / 3Fe 3 O 4
なお、これらの反応は−20℃〜300℃で反応を行うことができる。また、酸素と化合した酸素吸収剤は、水素や炭化水素類(例えば、メタン、プロパン、ブタン)等の還元剤にて還元することで、再び空気中の酸素と化合することができ、再生可能な材料である。 In addition, these reactions can be performed at -20 ° C to 300 ° C. The oxygen absorbent combined with oxygen can be combined with oxygen in the air again by reducing with a reducing agent such as hydrogen or hydrocarbons (for example, methane, propane, butane) and can be regenerated. Material.
また、第2群の金属を添加することで、鉄等の第1群の金属の還元反応・空気酸化反応時の、シンタリングによる粒子成長が抑えられ、酸素吸収効率の低下を抑えることができる。 Further, by adding the second group metal, particle growth due to sintering during the reduction reaction / air oxidation reaction of the first group metal such as iron can be suppressed, and the decrease in oxygen absorption efficiency can be suppressed. .
前記酸素吸収剤に、第2群の金属に代えて又はとともに、第3群から選ばれた少なくとも1つの金属をさらに添加することで、鉄等の第1群の金属を室温でより速やかに酸化することができる。 The oxygen absorbing agent, or with instead the metal of the second group, by further adding at least one metal selected from the third group, more rapidly oxidized at room temperature a metal of the first group of iron can do.
また、原料として導入する空気に水蒸気が含まれている場合、水蒸気と酸素吸収剤が反応して水素が発生する可能性がある(Fe+4/3H2O→4/3H2+1/3Fe3O4)。この水素が窒素ガスと混入して排出されると窒素ガスの濃度を低下させるだけでなく、爆発の危険をともなうが、前記の第2群および第3群から選ばれた少なくとも1つの金属がさらに添加されていることで、水素と空気中の残存酸素が燃焼する触媒としても作用し(H2+1/2O2→H2O)、水蒸気として排出することができる。また、空気中の二酸化炭素が酸素吸収剤と反応し一酸化炭素を発生する可能性があるが(Fe+CO2→FeO+CO)、前記の第2群および第3群から選ばれた少なくとも1つの金属がさらに添加されていることで、空気中の酸素を選択的に反応させ、COの発生を抑えることができる(CO+1/2O2→CO2)。 Further, when water introduced as a raw material contains water vapor, hydrogen may be generated by the reaction of the water vapor and the oxygen absorbent (Fe + 4 / 3H 2 O → 4 / 3H 2 + 1 / 3Fe 3 O 4). ). If this hydrogen is mixed with nitrogen gas and discharged, not only will the concentration of nitrogen gas be reduced, but there is also a risk of explosion, but at least one metal selected from the second group and the third group is further added. By being added, it also acts as a catalyst for burning hydrogen and residual oxygen in the air (H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O), and can be discharged as water vapor. In addition, carbon dioxide in the air may react with the oxygen absorbent to generate carbon monoxide (Fe + CO 2 → FeO + CO), but at least one metal selected from the second group and the third group is In addition, oxygen in the air can be selectively reacted to suppress the generation of CO (CO + 1 / 2O 2 → CO 2 ).
本発明に係る窒素ガス発生装置は、前記カートリッジの内部温度を下げるために前記カートリッジを冷却する冷却手段をさらに含むことが好ましい。また、本発明に係る窒素ガス発生装置は、前記カートリッジの内部温度を保持するために前記カートリッジを外気から断熱する断熱手段をさらに含むことも好ましい。 The nitrogen gas generator according to the present invention preferably further includes a cooling means for cooling the cartridge in order to lower the internal temperature of the cartridge. The nitrogen gas generator according to the present invention preferably further includes a heat insulating means for insulating the cartridge from outside air in order to maintain the internal temperature of the cartridge.
前述しように、原料として導入する空気に水蒸気が含まれている場合、水蒸気と酸素吸収剤が反応して水素が発生してしまう。この場合、シリカゲルなどを用いて、水蒸気を吸着させ、乾燥した空気を導入する方法が考えられるが、水蒸気が含まれている状態でも、カートリッジの温度を適正に調整することで、水蒸気からの水素の発生を抑えることができる。すなわち、酸素吸収剤と空気中の酸素を選択的に反応することができる。また、空気中には300ppm程度の二酸化炭素が含まれており、この二酸化炭素と酸素吸収剤が反応し一酸化炭素を発生する可能性がある(Fe+CO2→FeO+CO)。これも同様に、カートリッジの温度を適正に調整することで、空気中の酸素を選択的に反応させ、COの発生を抑えることができる。 As described above, when water introduced as a raw material contains water vapor, the water vapor and the oxygen absorbent react to generate hydrogen. In this case, a method of adsorbing water vapor using silica gel or the like and introducing dry air is conceivable. However, even when water vapor is contained, hydrogen from water vapor can be obtained by appropriately adjusting the temperature of the cartridge. Can be suppressed. That is, the oxygen absorbent and oxygen in the air can be selectively reacted. In addition, about 300 ppm of carbon dioxide is contained in the air, and this carbon dioxide and the oxygen absorbent may react to generate carbon monoxide (Fe + CO 2 → FeO + CO). Similarly, by appropriately adjusting the temperature of the cartridge, oxygen in the air can be selectively reacted to suppress the generation of CO.
このように本発明によれば、軽量かつコンパクトで安価な窒素ガス発生装置を提供することができる。 Thus, according to the present invention, a light, compact and inexpensive nitrogen gas generator can be provided.
添付図面を参照して、本発明に係る窒素ガス発生装置の一実施の形態を説明する。図1は、本発明に係る窒素ガス発生装置の一実施の形態の外観を示す模式図である。図2は、本発明に係る窒素ガス発生装置の一実施の形態の構成を示す模式図である。 An embodiment of a nitrogen gas generator according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic view showing the appearance of an embodiment of a nitrogen gas generator according to the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of an embodiment of the nitrogen gas generator according to the present invention.
図1(a)に示すように、窒素ガス発生装置10は、酸素吸収剤が充填されたカートリッジ11と、大気中からカートリッジ11内へと空気を導入するための空気ポンプ(図示)が内蔵された本体12とで主に構成されている。これらカートリッジ11と本体12はどちらも円筒形状を有しているが、カートリッジ11の方が直径が小さく構成されている。カートリッジ11の両端には、空気または窒素ガスを導入または排出するための配管14が設けられている。これら配管14には、図2に示すように、カートリッジ12内を外気から遮断するためのバルブ15が設けられている。
As shown in FIG. 1A, the
カートリッジ11の一端と本体12の一端13は、ねじ込み式構造により着脱可能に接続されている。本体12と接続する配管14aは、本体12にねじ込み接続されると、バルブ15aが開放されるように構成されている。もう一方の配管14bは、つまみ16を回転することでバルブ15bを開放することができる。これにより、カートリッジ11内に空気を導入するとともに、カートリッジ11内で生成した窒素リッチガスを排出することができる。
One end of the
カートリッジ11への空気の導入は、図2(a)のように、本体12内の空気ポンプで大気中から空気を吸引して、配管14aを介してカートリッジ11内へ空気を導入する。これにより、カートリッジ11内で生成した窒素リッチガスを配管14bから排出することができる。しかし、これに限らず、図2(b)のように、本体12内の空気ポンプによって配管14aを介してカートリッジ11内で生成した窒素リッチガスを吸引し、これにより配管14bを介してカートリッジ11内に空気を導入することもできる。
As shown in FIG. 2A, the introduction of air into the
カートリッジ11内には、酸素吸収剤が充填されている。酸素吸収剤は、Fe、Mg、Ga、Ge、Ce、Sn及びInからなる第1群から選ばれた少なくとも1つの金属またはその化合物を主成分とするものである。化合物は、酸素と化合するものであれば特に限定されないが、酸化物、特に低原子価の酸化物が好ましい。また、第1群の金属の中でもFeが特に好ましい。Feを主成分とする酸素吸収剤としては、例えば、鋳鉄粉、還元鉄粉、電解鉄粉、アトマイズ鉄粉、湿式沈殿法による鉄粉を用いることができる。これら鉄粉は、BET比表面積が0.1〜70m2/g、好ましくは1〜50m2/gであり、平均粒径0.01μm〜5mm、好ましくは0.05μm〜1mmの粒状であり、粒状のままでも使用できるが、ペレット状、円筒状、ハニカム構造、不織布形状などの反応に適した形状にすることが好ましい。
The
また、一度酸素と化合した酸化鉄を還元再生し、再度酸素との化合を行うときの酸化効率を高めるために、Ti、Zr、V、Nb、Cr、Mo、Al、Ga、Mg、Sc、Ni、Cu及びNdからなる第2群から選ばれた少なくとも1種の金属、または水素や一酸化炭素の不純ガス濃度を低く抑えるために、Rh、Ir、Ru、Pd及びPtからなる第3群から選ばれた少なくとも1種の金属を添加することが好ましい。この中でも第2群としてはMo、Alが、第3群としてはRh、Irがより好ましい。また、第2群と第3群からそれぞれ少なくともひとつずつ選んだ少なくとも計2種の金属を添加することもできる。 Further, in order to reduce and regenerate the iron oxide once combined with oxygen and increase the oxidation efficiency when combining with oxygen again, Ti, Zr, V, Nb, Cr, Mo, Al, Ga, Mg, Sc, In order to keep the impurity gas concentration of at least one metal selected from the second group consisting of Ni, Cu and Nd, or hydrogen or carbon monoxide low, the third group consisting of Rh, Ir, Ru, Pd and Pt It is preferable to add at least one metal selected from Among these, Mo and Al are more preferable as the second group, and Rh and Ir are more preferable as the third group. Further, at least two kinds of metals selected at least one from each of the second group and the third group can be added.
添加する金属の配合割合は、全金属を100mol%とした場合、0.1〜30mol%が好ましく、0.5〜15mol%がより好ましい。0.1mol%未満の配合割合では、酸化効果を向上する効果が認められない。一方、30mol%を越えると、鉄または酸化鉄の酸化還元反応の効率が低下するので好ましくない。鉄と添加する金属との調製方法は、物理混合法、含浸法、共沈法等により行い、特に共沈法が好ましい。 As for the compounding ratio of the metal to add, 0.1-30 mol% is preferable and 0.5-15 mol% is more preferable when all the metals are 100 mol%. When the blending ratio is less than 0.1 mol%, the effect of improving the oxidation effect is not recognized. On the other hand, if it exceeds 30 mol%, the efficiency of the oxidation-reduction reaction of iron or iron oxide decreases, which is not preferable. The method for preparing iron and the metal to be added is performed by a physical mixing method, an impregnation method, a coprecipitation method, or the like, and the coprecipitation method is particularly preferable.
カートリッジ11は、ステンレススチールやアルミニウム等の金属、アルミナやジルコニア等のセラミックス、又はフェノール樹脂やポリフェニレンサルファイド等の耐熱性プラスチック等で作られており、耐熱構造となっている。
The
窒素ガス発生装置10には、カートリッジ11を覆うように、本体12と同じ直径を有する円筒形状のカバー17が設けられている。このカバー17も、図1(b)に示すように、本体12と、カートリッジが接続する側の端部13で着脱可能に接続される。なお、カートリッジ11をカバー17で覆っても、カートリッジ11の配管14bはカバー17の反対側の開口部から外気に突出するように構成されている。カバー17は、例えば、ステンレススチールやアルミニウム等の金属、またはABS樹脂やナイロン等のプラスチックで作られており、これによりカートリッジ11が高温になった場合に、使用者を熱から保護することができる。また、カバー17の曲面部分には、開口部18が複数設けられている。この開口部18を通じて外気がカバー17内を自由に流通することで、カートリッジ11が自然冷却され、カートリッジ11の内部温度を調整することができる。
The
不純ガスである水素と一酸化炭素の発生を抑えるために、カートリッジ11の内部温度は−20℃〜300℃に維持される。温度が300℃を超えると、酸素吸収剤が空気中の酸素と選択的に反応できない。一方、温度が−20℃未満では、反応速度が遅くなり、酸化反応が速やかに進まない。より好ましい温度は0℃〜250℃であり、さらに好ましい温度は50℃〜150℃である。
In order to suppress generation of hydrogen and carbon monoxide, which are impure gases, the internal temperature of the
カートリッジ11の温度は電気ヒーターなどを用いて調整することもできるが、消費電力増加の観点から電気は使用しない方が好ましい。そこで、酸素と酸素吸収剤の反応は発熱反応であることから、−20℃〜300℃に維持するのに熱を蓄える必要がある場合はカートリッジ11を断熱材により保温し、冷却する必要がある場合は、カートリッジ11を空冷することが好ましい。
The temperature of the
保温する場合は、カートリッジ11の外周に直接、ポリフェニレンサルファイド等の耐熱性プラスチックや、ガラス繊維やセラミック繊維等の断熱材を設けてもよいし、カバー17を開口部18のないものとし、カバー17で空気断熱や真空断熱するなどのカートリッジ11や本体12から着脱可能の断熱材を設けてもよい。
When the temperature is kept, a heat-resistant plastic such as polyphenylene sulfide or a heat insulating material such as glass fiber or ceramic fiber may be provided directly on the outer periphery of the
また、空冷する場合は、カートリッジ11から熱を放出し易くするために、外気中にカートリッジ11表面を露出したり、カートリッジ11表面にフィンを設けるなどして表面積を大きくすることもできる。また、図1(a)に示すように、本体12のカートリッジ11側の端部13およびその反対側の端部の両表面に開口部20を複数設けるとともに、本体12内にファン(図示省略)を設け、この本体12内のファンからカートリッジ11表面に外気を積極的に送風したり、水などの液体をカートリッジ11表面で循環させたりして冷却することもできる。これらの保温もしくは空冷は、窒素ガス発生装置10及びカートリッジ11の大きさや窒素ガス発生量(酸化速度)により、適切な構造が選ばれる。
In the case of air cooling, in order to easily release heat from the
以上の構成によれば、窒素ガス発生装置10の運転を開始する際、先ず、カートリッジ11を本体12に接続し、バルブ15aを開放するとともに、つまみ16を回してバルブ15bを開放する。そして、本体12内の空気ポンプを起動し、配管14aを介して外気中から空気をカートリッジ11内に導入する。カートリッジ11内に空気が導入されると、カートリッジ11内に充填された空気吸収剤は空気中の酸素と速やかに化合し、空気中から酸素が除去され、窒素濃度98%以上のガスを得ることができる。この窒素リッチガスは配管14bから排出され、不活性ガスとして利用される。
According to the above configuration, when the operation of the
窒素ガス発生装置10内の酸素吸収剤が酸化反応により劣化した場合には、新規な酸素吸収剤が充填されたカートリッジと交換する。劣化した酸素吸収剤が充填されたカートリッジは、系外の還元設備にて水素などの還元ガスを導入し、劣化した酸素吸収剤を還元することで、再度使用することができる。なお、還元剤として使用するガスが水素の場合、高圧ボンベに充填された水素でも良いが、液体水素ボンベ、メタン(メタンガス、天然ガスあるいは石油等の炭化水素系原料)等の炭化水素類を触媒を用いて分解した水素、炭化水素類と水蒸気による水蒸気改質法により生成した水素、メタノール改質による水素、水の電気分解による水素等の生成した水素も用いることもできる。いずれの場合も、酸素吸収剤に供給する前に水分を除去し、ドライな水素を供給することが好ましい。酸素吸収剤が鉄で、水素にて還元を行う場合の反応式の一例を以下に示す。
Fe2O3+3H2→2Fe+3H2O
When the oxygen absorbent in the
Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2Fe + 3H 2 O
なお、酸素吸収剤の劣化度をモニターするために、窒素ガス中の残酸素を測定する酸素センサ(図示省略)を窒素ガス発生装置のガス出口に設けてもよいし、酸素が残存するか否かを色の変化により識別できる酸素検知剤を設けてもよいし、酸素吸収剤の酸化反応時に発生する酸化熱を測定する温度センサ(図示省略)や、または酸化による酸素吸収剤の重量増加を測定する圧力センサ(図示省略)を窒素ガス発生装置内に設けてもよい。 In order to monitor the deterioration degree of the oxygen absorbent, an oxygen sensor (not shown) for measuring the residual oxygen in the nitrogen gas may be provided at the gas outlet of the nitrogen gas generator, and whether or not oxygen remains. Oxygen detectors that can be identified by color changes may be provided, a temperature sensor (not shown) that measures the heat of oxidation generated during the oxidation reaction of the oxygen absorbent, or an increase in the weight of the oxygen absorbent due to oxidation. A pressure sensor (not shown) for measurement may be provided in the nitrogen gas generator.
なお、窒素ガス発生装置に導入する空気としては、エアードライヤーやシリカゲル等にて乾燥した空気を導入することもできる。これにより、蒸気の含まれていないドライな窒素リッチガスを得ることができる。または、窒素ガス発生装置から排出される窒素リッチガスをエアードライヤーやシリカゲル等で乾燥することでもドライな窒素リッチガスを得ることができる。 In addition, as air introduce | transduced into a nitrogen gas generator, the air dried with the air dryer, the silica gel, etc. can also be introduce | transduced. Thereby, a dry nitrogen-rich gas containing no vapor can be obtained. Alternatively, dry nitrogen-rich gas can be obtained by drying the nitrogen-rich gas discharged from the nitrogen gas generator with an air dryer or silica gel.
更に、カートリッジについてより詳細に説明する。図3および図4は、カートリッジの外観の変形例を示す模式図である。カートリッジは、図3(a)に示すように直方体211であっても、図3(b)に示すように円筒形状212であってもよい。また、カートリッジの配管120、140は、同一面上に設けずに、図3(c)に示すように反対側の面や、図3(d)に示すように側面に設けることもできる。更に、これら配管は、導入用と排出用を1本ずつ設ける他、図3(e)に示すように導入用と排出用を2本ずつ設けることもできる。
Further, the cartridge will be described in more detail. 3 and 4 are schematic views showing a modified example of the appearance of the cartridge. The cartridge may be a
また、窒素ガス発生装置本体内に収納するカートリッジは、1つに限られず、複数のカートリッジを収納させることもできる。例えば、図4(a)に示すように、2つのカートリッジ213を分岐した導入用配管120c及び排出用配管140cで並列に接続させてもよい。これにより、複数のカートリッジ213にそれぞれ空気を導入して、窒素を発生することができる。また、図4(b)に示すように、2つのカートリッジ213を結合プラグ130で直列に接続させてもよい。これにより、最初のカートリッジ213aで酸素吸収剤と反応しきれなかった酸素が、後段のカートリッジ213bで酸素吸収剤と反応してより高濃度な窒素ガスに精製することができる。このように、複数のカートリッジを並列又は直列に接続することで、窒素の発生量を増加させたり、単位時間当たりの窒素発生量、すなわち窒素発生速度を増加させることができる。これらのカートリッジの接続方式は、窒素ガス発生装置の用途に応じて選択することができる。
The number of cartridges stored in the nitrogen gas generator main body is not limited to one, and a plurality of cartridges can be stored. For example, as shown in FIG. 4A, two
図5〜図7は、カートリッジの内部構造の変形例を概略的に示す断面図である。図5(a)に示すように、カートリッジ221の一面に導入用配管120と排出用配管140とが設けられている。カートリッジ221内は、導入用配管120の設置されている層と、排出用配管140の設置されている層との2層になるように、セパレータ232によって仕切られている。各層には酸素吸収剤が充填されている。セパレータ232には、配管の設置位置から離れた位置に、空気が通過可能なガス通過孔234が設けられている。
5 to 7 are cross-sectional views schematically showing modified examples of the internal structure of the cartridge. As shown in FIG. 5A, an
このような構成によれば、導入用配管120から導入された空気は、セパレータ232の左側の層で、酸素吸収剤と反応して窒素リッチガスとなる。そして、未反応の酸素を含むガスは、通過孔234を通ってセパレータ232の右側の層へ移動し、さらに酸素吸収剤と反応する。精製された窒素リッチガスは、排出用配管140から排出される。このように、導入用配管120と排出用配管140との間にセパレータ232を設け、セパレータ232のプラグから離れた位置に通過孔234を設けることで、カートリッジ221内に導入された空気中の酸素を、カートリッジ221内の酸素吸収剤と十分に反応させることができ、反応効率を向上させることが可能となる。
According to such a configuration, the air introduced from the
また、図5(b)に示すように、導入用配管122が設置された面の反対側の面付近まで、導入用配管122を延長させることもできる。このような構成によっても、導入用配管122により導入された空気中の酸素を、カートリッジ222内の酸素吸収剤と十分に反応させることができる。なお、図5(c)に示すように排出用配管142を延長させる構成にすることでも、同様の効果を得ることができる。また、カートリッジ224から酸素吸収剤が飛散するのを防止するため、図5(d)に示すように、導入用配管120及び排出用配管140の管口付近に、ガスは通過させるが、酸素吸収剤を通過させないフィルタ236をそれぞれ設けることもできる。
Further, as shown in FIG. 5B, the
一方、図6(e)に示すように、導入用配管120と排出用配管140とを相対する面に設けることでも、導入された空気中の酸素とカートリッジ内の酸素吸収剤とを十分に反応させることができる。さらに、図6(f)及び図6(g)に示すように、一端が容器内の内壁に接したセパレータ232を交互に複数設けることもできる。このような構成によれば、空気の流路が更に延長されるので、より反応効率を向上されることができる。また、カートリッジ228から酸素吸収剤が飛散するのを防止するため、図6(h)に示すように、排出用配管140の管口付近にフィルタ236を設けることができる。カートリッジ228は、一方向に圧力がかかるため、排出用配管140側のみにフィルタ236を設けることで、実質的に酸素吸収剤の飛散を防止することが可能である。
On the other hand, as shown in FIG. 6 (e), even if the
更に、図7(i)に示すように、カートリッジ229内の導入用配管120の管口付近に、水蒸気吸着部238を設けることができる。水蒸気吸着部238は、フィルタ236により、酸素吸収剤の充填されている層と区分されている。水蒸気吸着部238には、導入された空気中の水分を吸着するため、ゼオライトや、シリカゲルなどが充填されている。このような水蒸気吸着部238を設けることで、カートリッジ229内に導入された水分のほぼ全量をすぐに吸着することができる。水分が酸素吸収剤と接触しないことで、不純ガスである水素の発生を抑えることができる。
Furthermore, as shown in FIG. 7 (i), a water
本発明に係る窒素ガス発生装置を、図1〜図7に示す実施の形態を用いて説明したが、本発明はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内における修飾変更・付加は全て本発明に含まれる。 Although the nitrogen gas generator according to the present invention has been described using the embodiment shown in FIGS. 1 to 7, the present invention is not limited to this embodiment, and is within the scope of the technical idea of the present invention. All modifications and additions in are included in the present invention.
(実施例1)
Alを添加した酸化鉄を、以下に示す共沈法(尿素法)にて調製した。先ず、超音波で5分間脱気した水100L中に、Alイオンが全金属イオンの3mol%となるように、硝酸鉄(III)九水和物(Fe(NO3)3・9H2O)3.88molと、アルミニウムの硝酸塩(Al(NO3)3・9H2O)0.12molと、沈殿剤として尿素100molを加えて溶解させた。混合溶液を攪拌しながら90℃に加熱し、3時間同温度に保持した。反応終了後、48時間放置し、沈殿させ、吸引ろ過を行った。得られた沈殿物(BET比表面積52.1m2/g、平均粒子径0.1μm)を80℃で24時間乾燥して、その後300℃で3時間、500℃で10時間空気焼成を行った。このようにして得られたAl添加酸化鉄をペレット状に成形した後、250g秤量した(すなわち、生成物が全てFe2O3とAl2O3からなっているとした場合、金属鉄(Fe)170g含有)。
Example 1
Iron oxide to which Al was added was prepared by the coprecipitation method (urea method) shown below. First, iron (III) nitrate nonahydrate (Fe (NO 3 ) 3 · 9H 2 O) is used so that Al ions become 3 mol% of all metal ions in 100 L of water deaerated with ultrasound for 5 minutes. 3.88 mol, aluminum nitrate (Al (NO 3 ) 3 .9H 2 O) 0.12 mol, and 100 mol of urea as a precipitant were added and dissolved. The mixed solution was heated to 90 ° C. with stirring and maintained at the same temperature for 3 hours. After completion of the reaction, the mixture was allowed to stand for 48 hours, precipitated, and suction filtered. The obtained precipitate (BET specific surface area 52.1 m 2 / g, average particle size 0.1 μm) was dried at 80 ° C. for 24 hours, and then air-baked at 300 ° C. for 3 hours and at 500 ° C. for 10 hours. . The Al-added iron oxide thus obtained was formed into pellets and then weighed 250 g (that is, if the product was composed entirely of Fe 2 O 3 and Al 2 O 3 , metal iron (Fe ) 170 g contained).
次に、このAl添加酸化鉄を用いて、空気中から酸素を除去して高濃度窒素を生成する実験を行った。先ず、上記により得られたAl添加酸化鉄を常圧固定床流通式の容器に収納した。なお、この容器は円筒状のステンレス製であり、シリカファイバーからなる断熱材で覆い保温した。そして、電気炉にて容器を500℃に昇温した後、水素を容器内に導入し、2時間にわたり還元反応を行った。 Next, using this Al-added iron oxide, an experiment was conducted in which oxygen was removed from the air to produce high-concentration nitrogen. First, the Al-added iron oxide obtained as described above was stored in an atmospheric pressure fixed bed flow type container. This container was made of cylindrical stainless steel and was kept warm by covering with a heat insulating material made of silica fiber. And after raising a container to 500 degreeC with an electric furnace, hydrogen was introduce | transduced in the container and the reduction reaction was performed over 2 hours.
その後、不活性ガス中で、上記により還元されたAl添加酸化鉄をカートリッジに充填し、窒素ガス発生装置に接続した。カートリッジは真鍮製の表面が平らな円筒状で、断熱材で保温はせずに、通気口を持たせたカバーのみを装着した。常温にて、空気ポンプで1.4NL/minの空気をカートリッジに吸入し、排出されるガスの濃度を測定した。その結果を表1に示す。なお、装置に導入する空気としては、温度25℃相対湿度40%の空気をシリカゲル乾燥管に通して空気中の水蒸気をある程度除去したものを使用した。また、排出されるガスの濃度は、水蒸気を除去した容積比で示す。 Thereafter, the Al-added iron oxide reduced as described above was filled in an inert gas and connected to a nitrogen gas generator. The cartridge had a cylindrical shape with a flat brass surface, and it was not kept warm with a heat insulating material, but only a cover with a vent hole was attached. At normal temperature, 1.4 NL / min of air was sucked into the cartridge with an air pump, and the concentration of the discharged gas was measured. The results are shown in Table 1. In addition, as the air introduced into the apparatus, air having a temperature of 25 ° C. and a relative humidity of 40% passed through a silica gel drying tube to remove water vapor in the air to some extent was used. Further, the concentration of the discharged gas is indicated by a volume ratio from which water vapor is removed.
表1に示すように、カートリッジでは、空気を入れた瞬間にすぐに酸素は吸収され、窒素濃度が98%以上となったガスを約1L/minの流量で約120分間にわたり安定的に発生した。なお、ガス中のアルゴン濃度は1.2%で、窒素とアルゴンの合計は99%以上であった。その後、時間の経過に従い、酸素吸収剤の酸化効率は低下し、窒素濃度が低下した。反応開始から120分間に得られた窒素の総量は119NLであった。また、窒素、アルゴン、酸素以外の成分として、水素、一酸化炭素、二酸化炭素が検出された。 As shown in Table 1, in the cartridge, oxygen was absorbed immediately at the moment when air was introduced, and a gas having a nitrogen concentration of 98% or more was stably generated at a flow rate of about 1 L / min for about 120 minutes. . The argon concentration in the gas was 1.2%, and the total of nitrogen and argon was 99% or more. Thereafter, with the passage of time, the oxidation efficiency of the oxygen absorbent decreased and the nitrogen concentration decreased. The total amount of nitrogen obtained in 120 minutes from the start of the reaction was 119NL. Moreover, hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide were detected as components other than nitrogen, argon, and oxygen.
(実施例2〜19)
酸化鉄の調製時に、Alの代わりにTi、Zr、V、Nb、Cr、Mo、Ga、Mg、Sc、Ni、Cu、Nd、Rh、Ir、Ru、Pd、Pt及びAl−Pdを添加した以外は、実施例1と同様の手順にて実験を行った。カートリッジ内に空気を吸気してから20分後のガス濃度を測定し、その結果を表2に示す。表1で分かるように窒素以外の不純ガスとして、水素、一酸化炭素、二酸化炭素の最も高い濃度が観測されるのが、吸気から20分後のため、それぞれ添加物での評価結果の代表値として、比較することができる。
(Examples 2 to 19)
When preparing iron oxide, Ti, Zr, V, Nb, Cr, Mo, Ga, Mg, Sc, Ni, Cu, Nd, Rh, Ir, Ru, Pd, Pt, and Al—Pd were added instead of Al. Except for this, the experiment was performed in the same procedure as in Example 1. The gas concentration after 20 minutes from the intake of air into the cartridge was measured, and the results are shown in Table 2. As can be seen in Table 1, the highest concentrations of hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide are observed as impure gases other than nitrogen, 20 minutes after the intake, so that the representative values of the evaluation results with additives are shown. Can be compared.
(参考例20)
酸化鉄の調製時にAlを添加しなかった以外は、実施例1と同様の手順にて実験を行った。その結果を表2に示す。
( Reference Example 20)
The experiment was performed in the same procedure as in Example 1 except that Al was not added during the preparation of iron oxide. The results are shown in Table 2.
表2に示すように、第2群の金属を添加した実施例1〜13は、無添加のFeのみの参考例20と比べ、水素及び一酸化炭素の濃度が低かった。また、第3群の金属を添加した実施例14〜18は、実施例1〜13よりも更に、水素、一酸化炭素の濃度が低く、第1群と第2群の金属を添加した実施例19は、最も水素、一酸化炭素の濃度が低かった。これらの結果から、所定の添加物により、水素、一酸化炭素の不純ガス濃度を低く抑えることができ、窒素の純度が高いガスを安定的に発生させることができることがわかった。 As shown in Table 2, Examples 1 to 13 to which the second group of metals were added had lower concentrations of hydrogen and carbon monoxide than Reference Example 20 with only additive-free Fe. In Examples 14 to 18 to which the third group of metals was added, the concentrations of hydrogen and carbon monoxide were lower than those in Examples 1 to 13, and Examples 1 to 2 were added. 19 had the lowest hydrogen and carbon monoxide concentrations. From these results, it was found that the impurity concentration of hydrogen and carbon monoxide can be kept low with a predetermined additive, and a gas having high nitrogen purity can be stably generated.
また、実施例1、17、19、参考例20については、酸素濃度が1%に達するまでの窒素発生量も測定した。この結果を表2に示す。表2に示すように、Alを添加した実施例1は、還元反応時にシンタリングによる粒子成長が抑えられ、酸化反応が効率よく進行した。Pdを添加した実施例17は、表2に示すとおり酸化初期(20分前後)での活性は高かったが、還元反応時にややシンタリングによる粒子成長が見られ、その結果、酸化反応全体での活性がやや劣り、窒素発生量はAlを添加したときよりも少し減少した。また、AlとPdを両方添加した実施例19は、還元時の粒子成長が抑えられるとともに、酸化反応でも高い活性を示し、窒素発生量が大幅に増加した。一方、無添加の参考例20は、酸素を吸収するが、添加物を加えたものと比較して、窒素発生量が劣る結果となった。
In Examples 1, 17, 19 and Reference Example 20, the amount of nitrogen generated until the oxygen concentration reached 1% was also measured. The results are shown in Table 2. As shown in Table 2, in Example 1 to which Al was added, particle growth due to sintering was suppressed during the reduction reaction, and the oxidation reaction proceeded efficiently. As shown in Table 2, Example 17 to which Pd was added had high activity at the initial oxidation stage (around 20 minutes), but particle growth due to sintering was slightly observed during the reduction reaction. The activity was slightly inferior, and the amount of nitrogen generated was slightly reduced compared to when Al was added. In addition, in Example 19 in which both Al and Pd were added, particle growth during reduction was suppressed, and high activity was exhibited even in the oxidation reaction, and the amount of nitrogen generated was greatly increased. On the other hand, the additive-free Reference Example 20 absorbed oxygen, but resulted in inferior nitrogen generation as compared with the additive.
(実施例21)
カートリッジをファンにて送風冷却した以外は、実施例1と同様な手順にて実験を行った。この際、カートリッジ内の最高温度と、酸素濃度が1%に達するまでの窒素発生量を測定した。これらの結果を表3に示す。
(Example 21)
The experiment was performed in the same procedure as in Example 1 except that the cartridge was blown and cooled with a fan. At this time, the maximum temperature in the cartridge and the amount of nitrogen generated until the oxygen concentration reached 1% were measured. These results are shown in Table 3.
(実施例22)
カートリッジを厚さ10mmのセラミックボートにて断熱した以外は、実施例1と同様な手順にて実験を行った。また、カートリッジ内の最高温度と、酸素濃度が1%に達するまでの窒素発生量を測定し、これらの結果を表3に示す。
(Example 22)
The experiment was performed in the same procedure as in Example 1 except that the cartridge was insulated with a ceramic boat having a thickness of 10 mm. Further, the maximum temperature in the cartridge and the amount of nitrogen generated until the oxygen concentration reached 1% were measured, and these results are shown in Table 3.
表3に示すように、ファンにて送風冷却した実施例21の場合は、カートリッジ内部の最高温度が80℃であり、自然冷却の実施例1の温度180℃と比べてはるかに低く、酸素吸収剤の酸化速度が遅く、水素、一酸化炭素の発生濃度を低く抑えることができた。しかし、酸素との酸化速度も劣るため、窒素発生量は少なくなった。また、セラミックボートで保温断熱した実施例22の場合は、最高温度が290℃であり、酸素吸収剤の反応速度が上昇し、窒素発生量が増加したが、水素、一酸化炭素の発生量も増加した。 As shown in Table 3, in the case of Example 21 that was blown and cooled by a fan, the maximum temperature inside the cartridge was 80 ° C., which was much lower than the temperature of 180 ° C. of Example 1 of natural cooling, and oxygen absorption The oxidation rate of the agent was slow, and the generation concentrations of hydrogen and carbon monoxide could be kept low. However, since the oxidation rate with oxygen was also inferior, the amount of nitrogen generated was reduced. In the case of Example 22 in which heat insulation was performed with a ceramic boat, the maximum temperature was 290 ° C., the reaction rate of the oxygen absorbent increased, and the nitrogen generation amount increased, but the generation amounts of hydrogen and carbon monoxide also increased. Increased.
10 窒素ガス発生装置
11 カートリッジ
12 本体
14 配管
15 バルブ
16 つまみ
17 カバー
18、20 開口部
120 導入用配管
140 排出用配管
211〜229 カートリッジ
232 セパレータ
234 ガス通過孔
236 フィルタ
238 気化部
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