JP5602394B2 - 高純度窒素ガスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高純度窒素ガスの製造方法に関する。

従来、空気から窒素ガスを分離する手段として、圧力変動吸着方式（ＰＳＡ：Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）の分離方法がある。このＰＳＡ方式を利用したＰＳＡ式窒素ガス発生装置（以下、ＰＳＡ装置という）は、吸着剤を充填した吸着塔に加圧した空気を供給して、空気中の酸素分子を吸着剤に吸着させ、吸着されなかった窒素ガスを分離して、窒素ガスを得ることができる。そして、吸着された酸素分子は吸着塔圧力を減圧することにより、容易に脱着させることができる。このようなＰＳＡ装置は、容易に窒素を分離する装置として様々な分野で使用されている。

たとえば防爆などの用途では、２次側に大型の貯留タンクを持ち、その中にＰＳＡ装置で窒素ガスを充填する。ガス必要時に大流量のガスを流し、貯留タンクの圧力が低下すれば再充填するシステムがある。

貯留タンクのガス充填時間は１次側圧力、２次側圧力、オリフィス径、タンク容積によって決定されるが、貯留タンクへの充填時間を短縮するためにはＰＳＡ装置から出るガス流量を大きくする必要がある。しかし、ＰＳＡ装置ではガス流量と残存酸素濃度に相関性があり、ガス流量を大きくすると、残存酸素濃度が上昇してガス品質の低下を招くため、大流量を流すことができなかった。

さらに特許文献１に示されるように、従来のＰＳＡ装置では、再生済みの吸着塔に製品槽から高純度窒素ガスを送入するバックフィル工程がある。このため製品槽内の圧力が変動して窒素ガス発生圧力が低くなり、貯留タンクに高圧のガスを充填することができなかった。

特開昭６０−２７６０６号公報

本発明は、高純度窒素ガスの純度を維持しつつ、貯留タンクへの充填効率を向上させる高純度窒素ガスの製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る高純度窒素ガスの製造方法は以下の工程を備えている。空気中の酸素を吸着剤に吸着させ、残りの高純度窒素ガスを回収する。高純度窒素ガスを製品槽に貯蔵する。高純度窒素ガスを製品槽から移送して貯留タンクに充填する。さらに、高純度窒素ガスを製品槽から移送して貯留タンクに充填する工程は、高純度窒素ガスを間欠的に製品槽から貯留タンクに充填することを特徴とする。

本発明に係る高純度窒素ガスの製造方法において好ましくは、高純度窒素ガスを製品槽から移送して貯留タンクに充填する工程は、製品槽の圧力が所定圧力に達した時点で製品槽とタンクの間に設置された弁を開弁し、貯留タンクに移送される高純度窒素ガスの積算流量が所定量に達した時点で弁を閉弁して行う。

本発明に係る高純度窒素ガスの製造方法において好ましくは、所定圧力が、製品槽の最高圧力である。

本発明に係る高純度窒素ガスの製造方法において好ましくは、高純度窒素ガスを製品槽から移送して貯留タンクに充填する工程は、貯留タンクに移送される高純度窒素ガスの瞬時流量が、高純度窒素ガス発生装置の単位時間当たりの最大製造量の２〜４倍である。

本発明によれば、高純度窒素ガスの純度を維持しつつ、貯留タンクへの充填効率を向上させることができる。

本発明の一実施の形態における高純度窒素ガスの製造方法を説明するための図である。 吸着工程および均圧工程に伴う吸着塔および製品槽内の圧力変動を示す図である。 比較例１における高純度窒素ガスの製造方法を説明するための図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付しその説明は繰り返さない。

＜高純度窒素ガスの製造装置＞
図１に示すように、本発明の一実施の形態における高純度窒素ガス製造方法に用いる高純度窒素ガス発生装置６ａは、圧縮機１と、吸着塔２、３と、製品槽４と、貯留タンク５とを備えている。吸着塔２、３は内部に空気中の酸素を選択的に吸着し窒素を分離する吸着剤を充填している。吸着塔２、３は、圧縮機１により圧縮された空気中の酸素を吸着剤により吸着させて高純度窒素ガスとする。製品槽４は、吸着塔２、３により酸素が除去された高純度窒素ガスを貯蔵する。貯留タンク５には、製品槽４に貯蔵された高純度窒素ガスが移送されて充填される。

＜高純度窒素ガスの製造方法＞
本発明の一実施の形態において、高純度窒素ガスの製造方法は以下の工程を備える。吸着塔２，３で空気中の酸素を吸着剤により吸着させ，残りの高純度窒素ガスを吸着塔出口より回収する（以下、吸着工程ともいう）。次に、回収した高純度窒素ガスを製品槽４に貯蔵する（以下、貯蔵工程ともいう）。次に、製品槽４に貯蔵した高純度窒素ガスを製品槽４からタンク５に移送して充填する（以下、充填工程ともいう）。

さらに、本実施の形態においては、吸着塔２、３で吸着剤により吸着された酸素を脱着させる工程（以下、再生工程ともいう）と、吸着工程が完了した吸着塔から再生工程が完了した吸着塔へガスを移送する工程（以下、均圧工程ともいう）とを備えることができる。

充填工程は、前記製品槽４の圧力が所定圧力に達した時点で製品槽４とタンク５の間に設置された電磁弁２２を開弁し、貯留タンク５に移送される高純度窒素ガスの積算流量が所定量に達した時点で前記電磁弁２２を閉弁して行うことを特徴とする。

充填工程は、貯留タンク５に移送される高純度窒素ガスの瞬時流量が、高純度窒素ガス発生装置の仕様の最大窒素発生量の２〜４倍であることを特徴とする。

（吸着工程）
高純度窒素ガスを製造するためには、まず、圧縮機１により空気を圧縮する。次に所定時間継続的に空気を吸着塔２，３に送入・加圧させ、空気中の酸素を吸着剤により吸着させ、残りの高純度窒素ガスを回収する吸着工程を実施する。吸収工程は、複数の吸着塔で行なわれることが好ましい。本実施の形態では、２つの吸着塔２，３で吸着工程を行っている。

吸着塔２，３には吸着剤が充填されている。吸着剤は、酸素を除去できれば特に限定されないが、たとえばゼオライト、活性アルミナ、活性炭またはＭＳＣ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｓｉｅｖｉｎｇ Ｃａｒｂｏｎ：分子篩炭素）を用いることができる。中でもＭＳＣを用いることが好ましい。ＭＳＣは、強度、耐摩耗性、および均質性に優れているとともに、酸素と窒素との分離能力に優れているため、空気中の酸素をより効率的に除去できるからである。

（再生工程）
吸着工程で吸着剤により吸着された酸素を、吸着塔内を減圧することにより脱着させ、次の吸着工程を行うために吸着剤の再生工程を実施する。本実施の形態では、２つの吸着塔で吸着工程と再生工程を交互に切替えて行う。吸着塔２で吸着工程を実施している場合、吸着塔３では配管１０３、弁１４、配管１０１を介して吸着塔内のガスを大気に放出する。

（均圧工程）
２つの吸着塔で吸着工程と再生工程を切替える際に吸着工程が完了した吸着塔から弁１７、弁１８を介して再生工程の完了した吸着塔へ比較的窒素純度の高いガスを移送する。
移送されたガスにより再生工程の完了した吸着塔内の圧力が短期間で昇圧され、次の吸着工程の準備を行う。

（貯蔵工程）
たとえば吸着塔２により酸素が除去され、窒素の濃度が高まった高純度窒素ガスは、配管１０４、弁１５、および配管１０６を介して製品槽４に貯蔵される。

製品槽４には圧力検知装置１９が設置され、製品槽４内の圧力を計測する。
（充填工程）
次に、高純度窒素ガスを貯留タンク５に充填する充填工程を実施する。製品槽４に貯蔵された高純度窒素ガスは、配管１０７、フィルタ２０、流量検知装置２１、電磁弁２２、配管１０８、流量調整弁２３、配管１０９、逆止弁２４を介して貯留タンク５へ充填される。

配管１０７または配管１０８には流量検知装置２１が設置され（図１においては配管１０７に設置）、製品槽４から貯留タンク５へ移送される高純度窒素ガスの積算流量を計測する。

配管１０８または配管１０９には流量調整弁２３が設置され、製品槽４から貯留タンク５に移送される高純度窒素ガスの瞬時流量を調節する。

配管１０７および配管１１０を介して酸素濃度検出装置２５が設置され、製品槽４から貯留タンク５に移送される高純度窒素ガスの残存酸素濃度を測定する。

充填工程における電磁弁２２の開閉の動作について説明する。電磁弁２２の開閉の動作は、吸着工程の開始から終了までの間で行われる。まず、吸着工程を吸着塔２で、再生工程を吸着塔３で行っているときには、弁１２、１３、１６、１７、１８を閉弁し、弁１１、１４、１５を開弁する。この時の製品槽４内の圧力は、吸着塔２内の圧力上昇に伴い、図２中ａ〜ｂで示すように上昇する。ｂは吸着塔２内の圧力が最も高圧（吸着最高圧力）になった時点を示し、その時の製品槽４内の圧力は最高圧力Ｐｂである。吸着塔２内が吸着最高圧力、すなわち、圧縮機の最高設定圧力に到達すると、一般的な圧縮機の場合では、無負荷運転となるため、徐々に吸着塔２内の圧力は低下し、製品槽４内の圧力も図２中ｂ〜ｃと減少する。ｃは吸着塔２での吸着工程が完了した時点を示し、その時の製品槽４内の圧力はＰｃである。その後、均圧工程を経て、製品槽４内の圧力は図２中Ｐｄまで減少する。

本実施の形態では、製品槽４に設置された圧力検知装置１９により検出された圧力（製品槽４内の圧力）が図２中Ｐｉで示す圧力に達したときに電磁弁２２を開弁する。Ｐｉは製品槽４内の最小圧力Ｐａより大きければ特に制限されないが、最小圧力Ｐａと最高圧力Ｐｂの平均値より大きいことが好ましい。なかでも、電磁弁２２は製品槽４内の圧力が最高圧力Ｐｂに達したときに開弁することが最も好ましい。電磁弁２２の開弁を、製品槽４内の圧力が図２中Ｐｉで示す圧力以上に達したときに行うことで、高純度窒素ガスを、純度を維持しつつ、効率良く貯留タンク５へ充填することができる。そして、電磁弁２２を開弁したのち、製品槽４から貯留タンク５へ高純度窒素ガスの積算流量が所定量に達した時点で電磁弁２２を閉弁する。本発明は、製品槽４から貯留タンク５への高純度窒素ガスの供給を、所定流量を保って行うのではなく、電磁弁２２を開閉することにより間欠的に行う点を特徴としている。

貯蔵タンク５に移送される高純度窒素ガスの積算流量の所定量は、高純度窒素ガス発生装置６の高純度窒素ガスの単位時間当たりの製造量の仕様によって定められる値であり、所定量と仕様の関係は以下の式（１）で表わすことができる。

Ｑｘ×０．５≦高純度窒素ガスの積算流量の所定量≦Ｑｘ×２・・・式（１）
（上記式中、Ｑｘは高純度窒素ガス発生装置の仕様の流量（高純度窒素ガスの１分間当たりの製造量）を示す。）
すなわち、高純度窒素ガス発生装置６の仕様が５００ＮＬ／分の場合は、高純度窒素ガスの積算流量の所定量は２５０〜１０００ＮＬが好ましい。本発明を適用可能な高純度窒素ガス発生装置の仕様は特に制限されないが、たとえば１〜５０，０００ＮＬ／分の装置に適用することができる。

電磁弁２２の閉弁から開弁までの閉弁時間は、開弁時間との関係で定めることが好ましい。具体的には、閉弁時間は開弁時間の０．５〜３倍であることが好ましい。

貯留タンク５に移送される窒素ガス瞬時流量は、できるだけ大流量のほうが好ましいが、高純度窒素ガス発生装置６の高純度窒素ガスの単位時間当たりの最大製造量の２〜４倍が最も好ましい。たとえば高純度窒素ガス発生装置６の単位時間当たりの最大製造量が５００ＮＬ／分の場合、貯留タンク５に移送される窒素ガス瞬時流量は１０００Ｎ／Ｌ〜２０００Ｎ／Ｌであることが好ましい。本発明を適用可能な高純度窒素ガス発生装置の単位時間当たりの最大製造量は特に制限されないが、たとえば１〜５０，０００ＮＬ／分の装置に適用することができる。

流量調整弁は貯留タンク５へ移送する窒素ガス瞬時流量を調整することが可能であれば、弁、ノズル、流量調整器などを使用することができる。それらを単独で用いても組み合わせて用いても良い。なかでも、窒素ガス瞬時流量を容易に調整できる観点から、流量調整弁を使用することが好ましい。

また、吸着工程中に製品槽４から貯留タンク５に移送される高純度窒素ガスを、配管１１０を介してサンプル取りし、高純度窒素ガス中の残存酸素濃度を酸素濃度検出装置２５により監視する。高純度窒素ガス中の残存酸素濃度が所定の酸素濃度以上に到達した時点で電磁弁２２を閉弁することができる。そうすることで、貯留タンク５へ高純度窒素ガスの純度を維持しつつ充填することができる。所定の酸素濃度は一般的に高純度窒素ガス発生装置の仕様によって決められるが、窒素ガスの使用者の要求される残存酸素濃度により任意に決められる。

本発明の高純度窒素ガス製造方法による効果を確認するべく、本発明を用いた場合と、従来の一般的なＰＳＡ装置を用いた方法とで、貯留タンク内に高純度窒素ガスが所定圧力まで充填されるのに要した時間を比較した。

＜実施例１＞
実施例１で使用した高純度窒素ガス発生装置６ａについて、図１を用いて説明する。高純度窒素ガス発生装置６ａは、圧縮機１と、２つの吸着塔２、３と製品槽４と、貯留タンク５とを備えている。製品槽４と貯留タンク５を結ぶ配管には、フィルタ２０、流量検知装置２１、電磁弁２２、流量調整弁２３、逆止弁２４が設置されている。

高純度窒素ガス製造装置６ａの高純度窒素ガスの単位時間当たりの製造量の仕様は、５００ＮＬ／分である。貯留タンク５は、容積２０００Ｌとし、圧縮機１の供給最高圧力は０．９５ＭＰａとした。運転サイクルは、吸着および再生工程６５秒、均圧工程４秒とした。また、電磁弁２２を開閉することにより、製品槽４から貯留タンク５への高純度窒素ガスの充填を、間欠的に行なった。

具体的には製品槽４の圧力が、０．８５ＭＰａの時点で電磁弁２２を開弁した。高純度窒素ガス発生装置６ａの高純度窒素ガスの単位時間当たりの最大製造量（仕様）は、５００ＮＬ／分であることから、開弁時の瞬時流量は、その３倍の１５００ＮＬ/分となるように流量調整弁２３で調整した。

電磁弁２２を開弁後、流量検知装置２１で製品槽４から貯留タンク５への高純度窒素ガスの積算流量を計測し、該積算流量が５７５ＮＬに到達したときに電磁弁２２を閉弁した。以上の電磁弁２２の開閉を吸着工程ごとに繰り返し行った。

貯留タンク５内の圧力が０．５４ＭＰａとなるのに要した時間（充填時間）および充填完了時の貯留タンク５の高純度窒素ガス中の残存酸素濃度（単位：vol.ppm）を測定した。なお、測定はそれぞれ２回行った。充填条件と結果を表１に示す。

＜比較例１＞
比較例１で使用した従来の一般的なＰＳＡ装置について、図３を用いて説明する。高純度窒素ガス発生装置６ｂは、圧縮機１と、２つの吸着塔２、３と製品槽４と、貯留タンク５とを備えている。製品槽４と貯留タンク５を結ぶ配管には、フィルターレギュレータ２０ｂ、フロート式流量計２１ｂ、電磁弁２２、流量調整弁２３、逆止弁２４が設置されている。

高純度窒素ガス製造装置６ｂの高純度窒素ガスの単位時間当たりの製造量の仕様は、５００ＮＬ／分である。貯留タンク５は、容積２０００Ｌとし、圧縮機１の供給最高圧力は０．９５ＭＰａとした。運転サイクルは、吸着および再生工程６５秒、均圧工程４秒とした。これらの条件は、実施例１と同様であった。

フィルターレギュレータ２０ｂの圧力設定を０．５０ＭＰａとした。電磁弁２２は常に開放されており、瞬時流量は５００ＮＬ／分に流量調整弁２３で調整して、一定流量で充填した。

貯留タンク５の圧力が０．５４ＭＰａとなるのに要した時間（充填時間）および充填完了時の貯留タンク５の高純度窒素ガス中の残存酸素濃度（単位：vol.ppm）を測定した。なお、測定はそれぞれ２回行った。充填条件と結果を表１に示す。

（測定結果）
表１に示すように、充填を間欠に行った実施例１の充填時間は、一定流量で充填した比較例１の充填時間に比べて短縮することができた。また、充填完了時の貯留タンク５の高純度窒素ガス中の残存酸素濃度は同等であった。

以上説明したように、実施例によれば、製品層からタンクへの高純度窒素ガスの供給を間欠的に行なうことにより、高純度窒素ガスの純度を維持しつつ、タンクへの充填効率を向上できることが確認できた。

＜実施例２＞
実施例１と同様の高純度窒素ガス発生装置６ａを用いて、電磁弁２２の開弁を吸着工程開始から０秒、６．６秒、１３．２秒、１９．８秒、２６．４秒の時点で行ったときの、高純度窒素ガス中の残存酸素濃度を酸素濃度検出装置２５で測定した。

（測定結果）

吸着工程開始からの経過時間が０秒〜１３．２秒では、残存酸素濃度は１４０ｐｐｍであり、１９．８秒では１３５ｐｐｍ、２６．４秒では１３０ｐｐｍであった。吸着工程開始からの経過時間が長い方が、高純度窒素ガス中の残存酸素濃度が減少し、より高純度ガスを維持することができる。

また、経過時間が長いと、製品槽４に貯蔵される高純度窒素ガスの量が増加する。すると、電磁弁２２を開弁して貯留タンク５へ高純度窒素ガスを移送する際の充填圧力が高くなるため、充填時間は短縮されると考えられる。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 圧縮機、２，３ 吸着塔、４ 製品槽、５ 貯留タンク、６ａ、６ｂ 高純度窒素ガス製造装置、１１〜１８ 弁、１９ 圧力検知装置、２０ フィルタ、２０ｂ フィルタレギュレータ、２１ 流量検知装置、２１ｂ フロート式流量計、２２ 電磁弁、２３ 流量調整弁、２４ 逆止弁、２５ 酸素濃度検出装置、１００〜１１０ 配管。

Claims (4)

1. 空気中の酸素を吸着剤に吸着させ、残りの高純度窒素ガスを回収する工程と、
   前記高純度窒素ガスを製品槽に貯蔵する工程と、
   前記高純度窒素ガスを製品槽から移送して貯留タンクに充填する工程とを備える高純度窒素ガスの製造方法において、
   前記高純度窒素ガスを製品槽から移送して貯留タンクに充填する工程は、前記高純度窒素ガスを間欠的に製品槽から貯留タンクに充填し、前記製品槽の圧力が所定圧力に達した時点で前記製品槽と前記貯留タンクの間に設置された弁を開弁し、前記貯留タンクに移送される高純度窒素ガスの積算流量が所定量に達した時点で前記弁を閉弁して行う、高純度窒素ガスの製造方法。
2. 前記高純度窒素ガスを製品槽から移送して貯留タンクに充填する工程は、
   前記貯留タンクに移送される高純度窒素ガスの瞬時流量が、高純度窒素ガス発生装置の単位時間当たりの最大製造量の２〜４倍である、
   請求項１に記載の高純度窒素ガスの製造方法。
3. 前記高純度窒素ガスの積算流量の所定量は、以下の式（１）で表わされる、
   Ｑｘ×０．５≦高純度窒素ガスの積算流量の所定量≦Ｑｘ×２・・・式（１）
   （上記式（１）中、Ｑｘは高純度窒素ガス発生装置の１分間当たりの高純度窒素ガス製造量を示す。）
   請求項１に記載の高純度窒素ガスの製造方法。
4. 前記弁の閉弁時間は、前記弁の開弁時間の０．５〜３倍である、請求項１に記載の高純度窒素ガスの製造方法。

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