JP6770344B2 - 酸素製造方法および酸素製造装置 - Google Patents

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Description

本発明は、酸素製造方法および酸素製造装置に関するものである。
現在、半導体製造工場では、半導体製造過程での酸化反応工程に用いられる酸素として高純度の酸素、具体的にはメタンおよび亜酸化窒素の濃度が低い酸素が求められている。しかし、一般的な空気分離装置による酸素製造方法では、メタンおよび亜酸化窒素は低圧精留塔の液体酸素に濃縮されるため、製品酸素中のメタンおよび亜酸化窒素濃度は高くなる。
メタンが除去された酸素を製造する手段として、触媒を用いた触媒反応により原料空気中の炭化水素、水素および一酸化窒素等の不純物を除去した後、吸着剤と接触せしめて、水分、炭酸ガス等の不純物を吸着除去することにより得られるクリーン・ドライ空気を酸素製造のための原料空気として用いることが考えられる。係るクリーン・ドライ空気を製造する技術は特許文献１に提案されている。しかしながら、該方法では亜酸化窒素が除去されるのかが不明であり、さらにはクリーン・ドライ空気を製造するために約３５０℃〜４５０℃まで原料空気を昇温する必要があり、電力コストの面でも改善の余地があった。
一方、特許文献２には一酸化炭素および水素を含有しない超高純度窒素を製造する方法として、原料空気から触媒を用いた酸化反応により一酸化炭素および水素を除去した後、得られた精製空気を精留して窒素を得る方法が記載されている。また特許文献２には、上記反応温度を２５０℃以上とすることにより、原料空気からメタンを除去できることが示唆されている。
空気中に典型的にはメタンは約２ｐｐｍ、亜酸化窒素は約０．５０ｐｐｍ含まれているが、これらの成分は空気分離装置において低圧精留塔の液体酸素に濃縮されて高濃度となる。安全性の観点から、空気分離装置の運転管理においてメタンおよび亜酸化窒素の液体酸素中の許容される最大の濃度はメタン４６８ｐｐｍおよび亜酸化窒素１００ｐｐｍと非特許文献１にて規定されており、安全性の観点からも、製品となる液体酸素中に濃縮するメタンおよび亜酸化窒素濃度が低い酸素製造方法および装置の開発が望まれている。
特開２００２−３４６３３０号公報 特開２００１−０３３１５６号公報
空気分離装置におけるリボイラ／コンデンサの安全な運転管理指針 有限責任中間法人日本産業・医療ガス協会出版、平成２０年６月、ｐ．３１
本発明の目的は、メタンおよび亜酸化窒素の含有量が低い酸素を得るために好適な酸素製造方法および酸素製造装置を提供することにある。
本発明は、以下に示す酸素製造方法および製造装置を提供する。
［１］ 原料空気中の少なくとも水分を吸着除去する第１の吸着工程と、前記第１の吸着工程後の原料空気中の少なくともメタンおよび亜酸化窒素を触媒反応に供する触媒反応工程と、前記触媒反応工程後の原料空気の精留によって酸素を得る精留工程と、を備えた酸素製造方法。
［２］ 前記触媒反応工程における触媒反応の温度が２５０℃未満である［１］に記載の酸素製造方法。
［３］ 前記触媒反応で用いる触媒がパラジウム系触媒を含む、［１］または［２］に記載の酸素製造方法。
［４］ 前記触媒がさらに白金系触媒を含む、［３］に記載の酸素製造方法。
［５］ 前記精留工程が、第１精留塔での精留により、前記触媒反応工程後の原料空気から酸素富化液化空気を分離する第１精留工程と、第２精留塔での精留により、前記酸素富化液化空気の少なくとも一部から酸素を分離する第２精留工程と、を備えた［１］〜［４］のいずれかに記載の酸素製造方法。
［６］ 原料空気中の少なくとも水分を吸着除去するための第１吸着塔と、前記第１吸着塔を経た原料空気中の少なくともメタンおよび亜酸化窒素を触媒反応に供するための触媒塔と、前記触媒塔を経た原料空気を精留することにより酸素を得るための精留部と、を備えた酸素製造装置。
［７］ 前記触媒塔は、２５０℃未満の温度で触媒反応を行うための触媒塔である［６］に記載の酸素製造装置。
［８］ 前記触媒がパラジウム系触媒を含む、［６］または［７］に記載の酸素製造装置。
［９］ 前記触媒がさらに白金系触媒を含む、［８］に記載の酸素製造装置。
［１０］ 前記精留部が、前記触媒反応後の原料空気から精留により酸素富化液化空気を分離するための第１精留塔と、前記酸素富化液化空気の少なくとも一部から精留により酸素を分離するための第２精留塔と、を備えた［６］〜［９］のいずれかに記載の酸素製造装置。
本発明によれば、メタンおよび亜酸化窒素の含有量が低い酸素を提供することができる。
本発明に係る、原料空気を精製するための装置の構成の一例を示す概略図である。 本発明に係る、深冷分離装置の構成の一例を示す概略図である。
以下、実施の形態を示しながら、本発明に係る酸素製造方法および酸素製造装置について詳細に説明する。
本発明に係る酸素製造方法は、原料空気中の少なくとも水分を吸着除去する第１の吸着工程と、第１の吸着工程後の原料空気中の少なくともメタンおよび亜酸化窒素を触媒反応に供する触媒反応工程とを含む精製空気生成工程、ならびに前記触媒反応工程後の原料空気の精留によって酸素を得る精留工程とを含む。
図１は、本発明に係る原料空気を精製するための装置の構成の一例を示す概略図である。図１に示される装置は、外部から取り入れられた原料空気中の少なくとも水分を吸着除去するための第１吸着塔７および８から構成される第１吸着塔ユニットＡと、第１吸着塔ユニットＡを経た原料空気中の少なくともメタンおよび亜酸化窒素を触媒反応に供するための触媒塔１１とを含む。図１に示される装置は、上記第１の吸着工程および触媒反応工程を実施するための装置である。
図２は、本発明に係る、深冷分離装置の構成の一例を示す概略図である。図２に示す装置は、触媒塔１１を経た精製空気を精留するための、第１精留塔４１および第２精留塔４２から構成される精留部を含む。図２に示される装置は、上記精留工程を実施するための装置である。
以下、各工程について詳細に説明する。
（１）第１の吸着工程
本工程は、原料空気中の少なくとも水分を吸着除去する工程である。図１を参照して、本工程は、水分を除去するための吸着剤が充填された塔である、第１吸着塔７または８に原料空気を導入する操作により実施することができる。
第１の吸着工程において第１吸着塔７または８に導入される原料空気としては、例えば外部から取り入れられ、フィルター１を介して清浄化された後に圧縮機２により圧縮された空気を用いることができる。
第１吸着塔７および８には、少なくとも原料空気に含まれる水分を除去するための吸着剤が充填される。吸着剤としては、例えば、アルミナゲル、合成ゼオライト（モレキュラシーブス）等が挙げられる。吸着剤としては原料空気中の水分を吸着できればよく、アルミナゲルや合成ゼオライト（モレキュラシーブス）以外の充填剤を用いることもできる。合成ゼオライト（モレキュラシーブス）を吸着剤として用いた場合には、触媒塔１１に充填される触媒の触媒毒となる酸化硫黄も除去することができる。例えばアルミナゲルと合成ゼオライト（モレキュラシーブス）を組み合わせて用いることもできる。
第１吸着塔ユニットＡは、少なくとも第１吸着塔７および８から構成されることが好ましい。第１吸着塔７および８の２塔を備えることにより、一塔を第１の吸着工程に使用し、その間他の塔を後述する再生ガスを用いて、吸着剤に吸着した水分および酸化硫黄を脱着する工程（再生工程）により再生することができる。再生工程が終了した塔は第１の吸着工程に使用され、第１の吸着工程に使用された塔は再生工程により再生される。このように第１の吸着工程に用いられる塔を切り替えることが可能なため、第１の吸着工程を連続して行うことが可能となる。第１吸着塔ユニットＡは３塔以上の吸着塔で構成されても良い。
図１に示されるように、原料空気は、降温され、原料空気中の凝縮水が凝縮水分離器６により除去された後に第１吸着塔７または８に導入されることが好ましい。原料空気が降温されることにより、原料空気中の水分の分圧が下がるため、第１吸着塔７および８のサイズダウン、ならびに第１吸着塔７および８に充填される吸着剤の量を減少させることが可能となる。原料空気の冷却手段としては特に制限はないが、原料空気の熱エネルギーを回収するために、排熱回収器３において後述する再生ガスと間接熱交換させることが好ましい。排熱回収器３出口の原料空気温度に応じて、冷媒との間接熱交換により原料空気を降温させるアフタークーラー４または冷却水との間接熱交換により原料空気を降温させる第１原料空気冷却器５のいずれか、あるいは両方をさらに備えることもできる。第１の吸着工程は、好ましくは１０℃以上４０℃以下で行われる。
（２）触媒反応工程
本工程は、第１の吸着工程後の原料空気中の少なくともメタンおよび亜酸化窒素を触媒反応に供する触媒反応を行う工程である。図１を参照して、本工程は、例えば第１の吸着工程後の原料空気を昇温手段にて所定の温度まで昇温した後、触媒塔１１に導入し、第１の吸着工程後の原料空気中に含まれる少なくともメタンおよび亜酸化窒素を触媒反応させる操作により実施することができる。
触媒塔１１における触媒反応の温度は、２５０℃未満の温度とすることができる。本発明では、上記第１の吸着工程によって、原料空気中の水分が除去されており、原料空気は反応活性の高い乾燥状態であるため、触媒塔１１での触媒反応温度を２５０℃未満という低い温度設定とすることができる。２５０℃以上の温度に原料空気を昇温することは、原料空気昇温のために昇温手段が要する電力を増加させる。原料空気を２５０℃未満まで昇温する手段としては特に制限はないが、ヒーター１０を用いることができる。また触媒塔１１を経た原料空気（精製空気）の熱エネルギーを回収するために、昇温手段としてさらに原料空気熱交換器９を設け、原料空気熱交換器９において、第１の吸着工程を経た原料空気と、触媒塔１１を経た原料空気（精製空気）とを間接熱交換させることにより熱回収を行うことが好ましい。原料空気熱交換器９の出口温度（すなわち、ヒーター１０に導入される原料空気の温度）が高くなれば、原料空気熱交換器９を経た原料空気を２５０℃未満の反応温度まで昇温するための昇温手段（ヒーター１０）が要する電力を削減することができる。
上記触媒反応において用いられる触媒としては、パラジウム系触媒を用いることができる。パラジウム系触媒を用いることにより、効率的にメタンおよび亜酸化窒素を転化することができる。また触媒として、さらに白金系触媒を用いることができる。原料空気中に水素および一酸化炭素が含まれている場合には、水素および一酸化炭素は白金系触媒により転化されるため、パラジウム系触媒が一酸化炭素および水素の触媒反応に用いられることを軽減でき、これによりパラジウム系触媒によるメタン、あるいは、さらに亜酸化窒素の転化率を高めることができる。
上記触媒反応において、メタンは、原料空気中に含まれる酸素と反応することにより二酸化炭素と水に転化される。亜酸化窒素は、熱分解反応により窒素と酸素に転化される。該触媒反応により、メタンと亜酸化窒素の含有量が少ない精製空気が生成される。また、原料空気中に水素および一酸化炭素が含まれている場合は、水素は水に転化され、一酸化炭素は二酸化炭素に転化される。該触媒反応により、メタン、亜酸化窒素、水素および一酸化炭素の含有量が少ない精製空気が生成される。また、原料空気中に含まれるエタン、アセチレン、エチレン、プロパン、プロピレンおよびＣ４以上の炭化水素も、該触媒反応によって原料空気中に含まれる酸素と反応することにより二酸化炭素と水に転化される。
（３）精留工程
本工程は、触媒反応工程後の原料空気（精製空気）の精留によって酸素を得る工程である。図２を参照して、本工程は、例えば精製空気を第１精留塔４１および第２精留塔４２から構成される精留部に導入する操作により実施することができる。第１精留塔４１は、精製空気から精留により酸素富化液化空気を分離する第１精留工程を行うための精留塔であり、第２精留塔４２は、酸素富化液化空気の少なくとも一部から精留により酸素を分離する第２精留工程を行うための精留塔である。
第１精留工程において、触媒反応工程後の原料空気（精製空気）を第１精留塔４１に導入することにより、これを低沸点成分である窒素と高沸点成分である酸素富化液化空気と分離することができる。本実施形態においては、第１精留塔４１の運転圧力は、圧縮機２の出口における原料空気の圧力に依存しており、通常、圧縮機２の出口圧力から第１精留塔４１に至るまでの各機器および配管等において生じる圧力損失を差し引いた圧力となる。酸素富化液化空気とは、大気中における酸素濃度２０．９５ｖｏｌ．％と比較して酸素成分が富んだ空気（酸素富化空気）が液化したものをいう。
第１精留工程においては、第１精留塔４１の塔上段部の窒素ガスの少なくとも一部を、経路４６を介して導出した後、第２精留塔４２内に配設されたコンデンサ４３に導入することができる。コンデンサ４３において、第２精留塔４２の塔底部に貯液された液化酸素と経路４６を介して導入される窒素ガスとが間接熱交換され、液化酸素の一部が気化して酸素ガスになると共に、窒素ガスの少なくとも一部が液化されて液化窒素となる。該液化窒素は、例えば経路４７を介してコンデンサ４３から導出された後、一部が経路４８を介して第１精留塔４１に還流液として供給され、残部が経路４９を介して第２精留塔４２の上段部に還流液として供給される。
触媒反応工程後の精製空気は、経路３１を介して主熱交換器４０に導入し、主熱交換器４０において対向する低温の酸素ガス等との間接熱交換により液化温度付近まで冷却した後、経路３２を介して第１精留塔４１に導入することができる。第１精留塔４１に導入された精製空気の少なくとも一部は上昇ガスとなり、第１精留塔４１の精留部４４において経路４８を介して供給される還流液と向流接触する。これにより、低沸点成分である窒素は第１精留塔４１の上段部へと分離され、高沸点成分である酸素富化液化空気は第１精留塔４１の下段部へと分離される。
第２精留工程において、第１精留塔４１の下段部に貯液された酸素富化液化空気の少なくとも一部を、経路５０を介して導出した後、第２精留塔４２へと導入することにより、上記酸素富化液化空気を低沸点成分である窒素と高沸点成分である酸素とに分離することができる。第２精留塔４２の運転圧力は、第１精留塔４１の運転圧力と比較して低く制御されており、好ましくは０．０５ＭＰａＧ以上０．５ＭＰａＧ以下の圧力にて制御され、より好ましくは０．１ＭＰａＧ以上０．４ＭＰａＧ以下の圧力にて制御される。
第２精留工程に用いる還流液として、液化窒素タンク５１に貯液された液化窒素や、タービンを搭載した窒素液化装置（図示せず）により製造された液化窒素を用いることができる。この還流液は、経路５２を介して第２精留塔４２に導入することができる。経路５０を介して第２精留塔４２に導入された酸素富化液化空気のうち少なくとも一部は上昇ガスとなり、第２精留塔４２の精留部４５Ａ、４５Ｂおよび４５Ｃにおいて、経路４９および経路５２を介して供給される還流液と向流接触する。これにより、低沸点成分である窒素は第２精留塔４２の上段部へと分離され、高沸点成分である酸素は第２精留塔４２の下段部に分離され、第２精留塔４２の塔底には液化酸素が貯液される。
第２精留塔４２の塔底に貯液された液化酸素を、経路５３を介して製品液体酸素として導出することができる。必要に応じて該製品液体酸素をポンプ等の昇圧手段（図示せず）により昇圧した後、主熱交換器４０において精製空気と間接熱交換させることにより昇温した後、昇圧された酸素ガスとして導出することもできる（図示せず）。
第２精留塔４２の下段部に分離した酸素を、経路５６を介して酸素ガスとして導出することもできる。該酸素ガスを、主熱交換器４０において精製空気と間接熱交換することにより昇温した後、製品酸素ガスとして経路６０を介して導出することができる。必要に応じて該製品酸素ガスを、酸素圧縮機等（図示せず）で昇圧した後、昇圧された製品酸素ガスとして導出することもできる。
第２精留塔４２の上段部から、経路５５を介して酸素富化ガスを廃ガスとして導出することができる。該廃ガスを、主熱交換器４０において精製空気と間接熱交換することにより昇温した後、廃ガスとして経路５９を介して導出することができる。該廃ガスの少なくとも一部を、再生ガスとして第１吸着塔ユニットＡおよび後述する第２吸着塔ユニットＢへと導入することができる（図１参照）。
第１精留塔４１の上段部から、経路５７を介して窒素ガスを導出することができる。該窒素ガスを、主熱交換器４０において精製空気と間接熱交換することにより昇温した後、経路６１を介して高圧製品窒素ガスとして導出することができる。必要に応じて、液化窒素タンク５１から液体窒素を導出し、蒸発器６２で気化した後に経路６３を介して高圧製品窒素ガスとして導出することもできる。ここでいう高圧とは、第２精留塔４２の運転圧力よりも高い圧力をいう。
第２精留塔４２の塔頂部から、経路５４を介して窒素ガスを導出することができる。該窒素ガスを、主熱交換器４０において精製空気と間接熱交換することにより昇温した後、経路５８を介して低圧製品窒素ガスとして導出することができる。ここでいう低圧とは、第２精留塔４２の運転圧力以下の圧力のことをいう。
第１精留塔４１としては、その精留部４４に一般的な精留板、規則充填物、不規則充填物等を備えた一般的な低温精留のための精留塔を使用することができる。
第２精留塔４２は、精留塔内に第１精留塔４１から経路４６を介して導入される窒素ガスと第２精留塔４２塔底部に貯液された液化酸素との間の熱交換を行い、該窒素ガスを液化窒素へと凝縮し、該液化酸素を酸素ガスへと蒸発させるコンデンサ４３と、精留部４５Ａ、４５Ｂおよび４５Ｃに一般的な精留板、規則充填物、不規則充填物等とを備えた、一般的な低温精留のための精留塔を使用することができる。
主熱交換器４０は、精製空気と第１精留塔４１および第２精留塔４２から導出される低温のガスとを間接熱交換するためのものであり、例えばプレートフィン型の熱交換器を用いることができる。
（４）その他の工程
（ｉ）第２の吸着工程
本工程は、触媒塔１１を経た精製空気中の少なくとも水分および二酸化炭素を吸着除去する工程である。触媒塔１１を経た精製空気は、通常メタン等の転化により生じた水分および二酸化炭素を含有している。精製空気中の水分および二酸化炭素は、主熱交換器４０内で固化し、熱交換器４０の流路を閉塞させる恐れがあるため、本工程において除去することが好ましい。図１を参照して、本工程は、水分および二酸化炭素を除去するための吸着剤が充填された塔である第２吸着塔１３および１４から構成される第２吸着塔ユニットＢに、触媒塔１１を経た精製空気を導入する操作により実施することができる。第２の吸着工程は通常、精留工程の前に実施される。
第２吸着塔１３および１４には、少なくとも触媒塔１１を経た精製空気に含まれる水分および二酸化炭素を除去するための吸着剤が充填される。吸着剤としては、例えば、合成ゼオライト（モレキュラシーブス）が挙げられる。吸着剤としては触媒塔１１を経た精製空気に含まれる水分および二酸化炭素を吸着できればよく、合成ゼオライト（モレキュラシーブス）以外の充填剤を用いることもできる。例えばアルミナゲルと合成ゼオライト（モレキュラシーブス）を組み合わせて用いることもできる。
第２吸着塔ユニットＢは、少なくとも第２吸着塔１３および１４から構成されることが好ましい。第２吸着塔１３および１４の２塔を備えることにより、一塔を水分および二酸化炭素吸着の工程に使用し、その間他の塔を、再生ガスを用いて吸着剤に吸着した水分および二酸化炭素を脱着する再生工程により再生することができる。再生工程が終了した塔は、水分および二酸化炭素吸着の工程に使用され、水分および二酸化炭素吸着の工程に使用された塔は再生工程により再生される。このように精製空気中の水分および二酸化炭素の吸着の工程に用いられる塔を切り替えることが可能なため、該水分および二酸化炭素の吸着の工程を連続して行うことが可能となり、精製空気中の水分および二酸化炭素が主熱交換器４０内で固化し、熱交換器４０の流路を閉塞させることをより確実に防止できる。第２吸着塔ユニットＢは３塔以上の吸着塔で構成されても良い。
触媒塔１１を経た精製空気は、原料空気熱交換器９において、第１の吸着工程を経た原料空気と間接熱交換させることにより降温させた後に第２吸着塔ユニットＢに導入されることが好ましい。原料空気熱交換器９出口における精製空気の温度に応じて、原料空気熱交換器９を経た精製空気を第２原料空気冷却器１２へと導入し、冷却水と間接熱交換することによりさらに降温させた後、第２吸着塔ユニットＢに導入することもできる。精製空気が降温されることにより、精製空気中の水分の分圧が下がり、かつ、吸着剤の二酸化炭素の吸着容量が増加するため、第２吸着塔１３および１４のサイズダウン、ならびに第２吸着塔１３および１４に充填される吸着剤の量を減少させることが可能となる。第２の吸着工程は、好ましくは１０℃以上４０℃以下で行われる。
（ｉｉ）再生ガス供給工程
本工程は、経路５９を介して導出された廃ガス（図２参照）の少なくとも一部を、第１吸着塔ユニットＡおよび第２吸着塔ユニットＢの再生工程に用いる再生ガス（図１参照）として供給する工程である。再生ガスは、好ましくは排熱回収器３に導入され、圧縮機２により圧縮された空気と間接熱交換されることにより昇温される。排熱回収器３を経た再生ガスは、第２再生ヒーター１５によりさらに昇温され、第２吸着塔ユニットＢへと供給され、第２吸着塔１３または１４の再生工程に用いられる。第２吸着塔ユニットＢを経た再生ガスは、必要に応じて第１再生ヒーター１６によりさらに昇温された後、第１吸着塔ユニットＡに供給され、第１吸着塔ユニットＡにおいて第１吸着塔７または８の再生工程に用いられる。
以下、実施例を示して本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの例によって限定されるものではない。
〔１〕精製空気の生成
図１に記載の構成を有する装置を用いて、下記の条件にて第１の吸着工程を経た原料空気中に含まれるメタンおよび亜酸化窒素の転化率の検証実験を行い、転化率について評価した。なお、［ＮＬ］は、標準状態に換算したガスの体積［Ｌ］を表している。
（転化率の検証実験条件）
原料空気流量：１５０ＮＬ／ｍｉｎ、
原料空気圧力：０．７８５ＭＰａＧ、
原料空気中のメタン濃度：２．０ｖｏｌ．ｐｐｍ、
原料空気中の亜酸化窒素濃度：０．５０ｖｏｌ．ｐｐｍ、
触媒：パラジウム系触媒および白金系触媒
パラジウム系触媒の空間速度：１３７８０ｈ−１
白金系触媒の空間速度：１３７８０ｈ−１
酸化温度：１５０℃、１７０℃、１９０℃、２１０℃および２４７℃。
（メタンおよび亜酸化窒素転化率の評価基準）
◎：メタンの転化率が９９．５％以上、かつ、亜酸化窒素の転化率が６５％以上である、
○：メタンの転化率が９０％以上９９．５％未満、かつ、亜酸化窒素の転化率が４０％以上６５％未満である、
△：メタンの転化率が９０％未満、かつ、亜酸化窒素の転化率が４０％未満である。
検証実験の結果を以下の表１に示す。
Figure 0006770344
表１に示す通り、メタンは、反応温度１９０℃において９９％が水と二酸化炭素へと転化し、反応温度２４７℃においては１００％近い転化率が確認された。亜酸化窒素については反応温度１９０℃において約６０％転化することが確認された。反応温度が１７０℃を下回ると転化率はメタンおよび亜酸化窒素ともに減少し、１５０℃においては亜酸化窒素の転化率は３．８％と低い値となった。この結果から、触媒塔１１における好適な反応温度は、好ましくは約１９０℃以上、より好ましくは約２１０℃以上であることが示された。なお、２５０℃を超えると昇温手段１０の負担を大きくするか、あるいは原料空気熱交換器９を、さらに１基用意する必要があるため、設備のメンテナンスや耐久性、コスト面および電力消費量の面等において、改善の余地が生じる。
〔２〕酸素の製造１
図１および図２に記載の構成を有する装置を用いて、下記の条件にて製品酸素中のメタンおよび亜酸化窒素濃度のシミュレーションを行い、評価した。なお、［Ｎｍ３］は、標準状態に換算したガスの体積［ｍ３］を表している。
（実施例１に係る酸素製造のシミュレーション条件）
原料空気流量：３３００Ｎｍ３／ｈ、
原料空気圧力：０．７８５ＭＰａＧ、
製品液化酸素流量：６００Ｎｍ３／ｈ、
製品液化酸素圧力：０．２０ＭＰａＧ、
原料空気中のメタン濃度：２．０ｖｏｌ．ｐｐｍ、
原料空気中の亜酸化窒素濃度：０．５０ｖｏｌ．ｐｐｍ、
触媒塔１１に用いた触媒：パラジウム系触媒および白金系触媒
触媒塔１１における触媒反応温度：２４７℃。
（実施例２および３に係る酸素製造のシミュレーション条件）
実施例２については、製品酸素を液化酸素流量３００Ｎｍ３／ｈ、酸素ガス流量３００Ｎｍ３／ｈとしたこと以外は実施例１と同じ条件であり、実施例３については、製品酸素を酸素ガス流量６００Ｎｍ３／ｈとしたこと以外は実施例１と同じ条件でシミュレーションを行った。
（比較例１〜３に係る酸素製造のシミュレーション条件）
メタンおよび亜酸化窒素の触媒反応を行わない以外は、比較例１は実施例１と同じ条件で、比較例２は実施例２と同じ条件で、比較例３は実施例３と同じ条件でシミュレーションを行った。
（メタンおよび亜酸化窒素濃度の評価基準）
○：メタン濃度が１．０ｖｏｌ．ｐｐｍ未満、かつ、亜酸化窒素濃度が２．０ｖｏｌ．ｐｐｍ未満である、
△：メタン濃度が１．０ｖｏｌ．ｐｐｍ以上、かつ、亜酸化窒素濃度が２．０ｖｏｌ．ｐｐｍ以上である。
シミュレーションの結果を以下の表２に示す。表中の「液」とは、図２に示される製品液化酸素を意味し、表中の「ガス」とは、図２に示される製品酸素ガスを意味する。表３においても同様である。
Figure 0006770344
表２に示す通り、実施例１、実施例２、および実施例３の全ての実施例において製品酸素（製品液化酸素および製品酸素ガス）中のメタン濃度は１．０ｖｏｌ．ｐｐｍ未満であり、かつ亜酸化窒素濃度も２．０ｖｏｌ．ｐｐｍ未満であり、メタンおよび亜酸化窒素の含有量が低い酸素を得ることができた。一方、触媒反応工程を有しない比較例１〜３については、酸素中のメタン濃度および亜酸化窒素濃度は共に高い値であった。
〔３〕酸素の製造２
前記酸素の製造１と同じ評価基準において、触媒塔１１における触媒反応温度を２１０℃へと変更した以外は前記酸素の製造１と同条件で製品酸素中のメタンおよび亜酸化窒素濃度のシミュレーションを行い、評価した。シミュレーションの結果を以下の表３に示す。
Figure 0006770344
表３に示す通り、触媒塔１１における触媒反応温度を２１０℃とした場合においても、実施例４〜６全ての実施例において、製品酸素中のメタン濃度は１．０ｖｏｌ．ｐｐｍ未満であり、かつ亜酸化窒素濃度も、実施例４および６では２．０ｖｏｌ．ｐｐｍ未満であり、実施例４と比較して製品液化酸素中に亜酸化窒素成分が濃縮する条件である実施例５においても１．８ｖｏｌ．ｐｐｍという低い値であり、メタンおよび亜酸化窒素の含有量が低い酸素を得ることができることができた。一方、触媒反応工程を有しない比較例４〜６については、酸素中のメタン濃度および亜酸化窒素濃度は共に高い値であった。
１： フィルター
２： 圧縮機
３： 排熱回収器
４： アフタークーラー
５： 第１原料空気冷却器
６： 凝縮水分離器
７，８： 第１吸着塔
９： 原料空気熱交換器
１０： 昇温手段
１１： 触媒塔
１２： 第２原料空気冷却器
１３，１４： 第２吸着塔
１５： 第２再生ヒーター
１６： 第１再生ヒーター
３１，３２，４６，４７，４８，４９，５０，５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８，５９，６０，６１，６３： 経路
４０： 主熱交換器
４１： 第１精留塔
４２： 第２精留塔
４３： コンデンサ
４４： 第１精留塔４１の精留部
４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ： 第２精留塔４２の精留部
５１： 液化窒素タンク
６２： 蒸発器
Ａ： 第１吸着塔ユニット
Ｂ： 第２吸着塔ユニット

Claims (8)

  1. 原料空気中の少なくとも水分を吸着除去する第１の吸着工程と、
    前記第１の吸着工程後の原料空気中の少なくともメタンおよび亜酸化窒素を触媒反応に供する触媒反応工程と、
    前記触媒反応工程後の原料空気の精留によって酸素を得る精留工程と、を備えた酸素製造方法であって、
    前記触媒反応工程における触媒反応の温度が１７０℃以上２５０℃未満である酸素製造方法。
  2. 前記触媒反応で用いる触媒がパラジウム系触媒を含む、請求項１に記載の酸素製造方法。
  3. 前記触媒がさらに白金系触媒を含む、請求項２に記載の酸素製造方法。
  4. 前記精留工程が、
    第１精留塔での精留により、前記触媒反応工程後の原料空気から酸素富化液化空気を分離する第１精留工程と、
    第２精留塔での精留により、前記酸素富化液化空気の少なくとも一部から酸素を分離する第２精留工程と、を備えた請求項１〜３のいずれか１項に記載の酸素製造方法。
  5. 原料空気中の少なくとも水分を吸着除去するための第１吸着塔と、
    前記第１吸着塔を経た原料空気中の少なくともメタンおよび亜酸化窒素を触媒反応に供するための触媒塔と、
    前記触媒塔を経た原料空気を精留することにより酸素を得るための精留部と、を備えた酸素製造装置であって、
    前記触媒塔は、１７０℃以上２５０℃未満の温度で触媒反応を行うための触媒塔である酸素製造装置。
  6. 前記触媒がパラジウム系触媒を含む、請求項５に記載の酸素製造装置。
  7. 前記触媒がさらに白金系触媒を含む、請求項６に記載の酸素製造装置。
  8. 前記精留部が、
    前記触媒反応後の原料空気から精留により酸素富化液化空気を分離するための第１精留塔と、
    前記酸素富化液化空気の少なくとも一部から精留により酸素を分離するための第２精留塔と、を備えた請求項５〜７のいずれか１項に記載の酸素製造装置。
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