JP7379764B1 - 空気分離装置および空気分離方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高純度酸素液中の不揮発性不純物を低減あるいは除去する方法を提供する。【解決手段】高純度酸素液中の不揮発性不純物を低減あるいは除去する方法は、高純度酸素液を製造する空気分離装置における高純度酸素精留塔から得られる高純度酸素液を蒸発させる酸素蒸発工程と、前記酸素徐発工程で蒸発された酸素ガスを再凝縮する酸素再凝縮工程と、を含む。前記方法は、前記酸素再凝縮工程で得られた凝縮液を取り出す高純度酸素液取出工程を含んでいてもよい。【選択図】図１

Description

本発明は、高純度酸素を製造する空気分離装置および空気分離方法に関する。

高純度酸素とは、例えば９９．９９９９％以上の純度を持つ酸素であって、例えば半導体産業用の需要があるが、不純物として高沸点成分（例えばメタン等炭化水素）や低沸点成分（窒素、アルゴン、水素等）が取り除かれたものである。
不純物として、不揮発性成分（金属粒子やシロキサン等）の除去も求められる。不揮発性成分からなる不純物の粒径が十分大きい場合は、フィルターによるろ過処理によって除去可能であるが、ナノメートルオーダーの粒子除去は技術的に困難であるため、高純度酸素の製造プロセスから汚染源になる可能性がある材料を除外することが一般的であった。

高純度の空気分離ガスを得るためには、空気分離装置の精留塔の理論段数は大きくなり、結果的に精留塔の高さは高くなるが、空気分離装置の輸送に係る長さの制限や、設置場所の設置高さ制限によって、精留塔を分割することが妥当になる場合がある。
高さは、クレーン等を使用した工法の制限の他にも、航空法、電気事業法、景観条例等による法規制によって制限され得る。
高さ制限のために分割された精留塔は同じ高さ水準に設置することが望ましい。この場合、上部に相当する精留塔の底部液は、還流液として下部に相当する精留塔の頂部に供給する必要があるから、上部精留塔底部から下部精留塔頂部へ液送するポンプが必要となる。
空気分離装置の精留プロセスは、窒素の液化点である－１９６℃付近の低温で使用されるため、使用される材料は低温脆性を示さない、オーステナイト系ステンレス鋼やアルミニウム合金、銅合金等が使用される。静的な使用環境下では材料表面に酸化膜が形成されるため、材料の腐食は生じないが、駆動部を有するポンプのような動的な機械に適用される材料の場合、摺動部や回転部に摩耗的腐食が起きる場合がある。腐食によって流体中に混入する金属不純物は、不揮発性のため基本的に液相に移動するが、空気分離装置においては酸素に濃縮されていくことになる。
このような腐食によって生じる金属や金属酸化物粒子は、数十ナノメートルオーダーの大きさになりえるが、半導体製造にとっては致命的な不純物となり得、一度半導体製造工程に不具合を起こして工程停止が発生すると、多額の損失を招き、特に半導体の回路幅が数ナノメートルとなるような先端半導体製造においては顕著である。
従って、半導体製造工程に用いられる高純度酸素中の不純物除去は必須であるが、数十ナノメートルオーダーの粒子をフィルター等で除去することは技術的に難しく、空気分離装置による処理技術を開発する必要性があった。

特許文献１は、既存の窒素製造プロセスへの影響を小さく抑え、高純度の酸素ガス及び高純度の液体酸素の少なくとも一方を効率的に製造することのできる酸素製造システムを開示している。特許文献２、３は、高純度の酸素の製造装置を開示している。しかしながら、特許文献１から３では、酸素に濃縮される金属不純物の問題については言及されていない。

特許第６５４６５０４号公報 特許第３７１９８３２号公報 特許第３９２９７９９号公報

本開示は、高純度酸素液中の不揮発性不純物を低減あるいは除去する空気分離装置および高純度酸素液中の不揮発性不純物を低減あるいは除去する方法を提供する。

本開示の高純度酸素液中の不揮発性不純物を低減あるいは除去する方法は、
高純度酸素液を製造する空気分離装置における高純度酸素精留塔から得られる高純度酸素液を（酸素蒸発器で）蒸発させる酸素蒸発工程と、
前記酸素徐発工程で蒸発された酸素ガスを（酸素再凝縮器で）再凝縮（液化）する酸素再凝縮工程と、を含んでいてもよい。
前記酸素再凝縮工程は、蒸発された酸素ガスを酸素ミストセパレータよりも下方に導入することを含んでいてもよい。
前記方法は、前記酸素再凝縮工程で得られた凝縮液（高純度酸素液）を取り出す高純度酸素液取出工程を含んでいてもよい。
前記高純度酸素液取出工程は、前記酸素ミストセパレータよりも上方から凝縮液（高純度酸素液）を取り出す工程を含んでいてもよい。
前記高純度酸素液取出工程は、凝縮液を加圧する加圧工程を含んでもよく、凝縮液を蒸発しガス化する工程を含んでいてもよい。
「高純度酸素」は、例えば９９．９９９９％以上の純度を持つ酸素をいう。

本開示の空気分離装置（Ａ１、Ａ２）は、高沸点成分が濃縮される第一窒素精留部（２１）と、低沸点成分が濃縮される第二窒素精留部（２２）とを有する窒素精留塔（２）と、高純度酸素精留塔（５）とを備える。高さ制限などの制約から第一窒素精留部（２１）と第二窒素精留部（２２）が分離されていてよい。第二窒素精留塔（２２）の底部（２２１）に貯留する酸素富化液を第一窒素精留部（２１）の塔頂（２１３）へ送る（還流液を送る）ために液送ポンプ（８）を有していてもよい。ヘッド差があるため、液送ポンプ（８）が使用される。

前記空気分離装置（Ａ１、Ａ２）は、
原料空気を熱交換する主熱交換器（１）と、
前記主熱交換器（１）を通過した原料空気が導入される（中間あるいは下部精留部を有する）第一窒素精留部（２１）と、
前記第一窒素精留部（２１）の塔頂（２１３）から導出されるガス（蒸発ガス）が導入される精留部（２２２）（下部精留部）を有する第二窒素精留部（２２）と、
前記第二窒素精留部（２２）の塔頂（２２３）から導出されるガス（蒸発ガス）が導入されて凝縮（冷却）し、前記塔頂（２２３）へ戻す第一、第二凝縮器（３、４）と、
前記第一凝縮器（３）の塔頂（３１）から導出され、前記主熱交換器（１）（の一部）を通過した後でガスを膨張するエキスパンダー（９２）と、
前記第二凝縮器（４）の塔頂（４１）から導出されるガスを圧縮するコンプレッサー（９１）と、
前記第一窒素精留部（２１）（の中間あるいは上部精留部）から導出される酸素含有液（ガス状と液状を含む）が導入される（酸素精留部あるいは塔頂を有する）高純度酸素精留塔（５）と、
前記高純度酸素精留塔（５）の（酸素精留部の）下部に設置され、酸素ガスの蒸気流を発生させるための酸素蒸発器（５５）と、
前記酸素蒸発器（５５）で発生される酸素ガス（蒸気流）一部が導入され、当該酸素ガスを凝縮（再液化）する酸素再凝縮部（７）と、を備えていてもよい。

前記空気分離装置（Ａ１、Ａ２）は、
前記主熱交換器（１）を通過させ前記第一窒素精留部（２１）の中間あるいは下部精留部へ導入される原料空気のための原料空気配管ライン（Ｌ１）と、
前記第一窒素精留部（２１）の塔頂（２１３）から導出されるガス（蒸発ガス）が前記第二窒素精留部（２２）へ送るための配管ライン（Ｌ２１３）と、
前記第一窒素精留部（２１）の底部（２１１）から導出される富化酸素液が前記第二凝縮器（４）（の冷熱に使用されるため）に送るための配管ライン（Ｌ２１１ａ）と、
前記第二窒素精留部（２２）の底部（２２１）から導出され前記液送ポンプ（８）によって富化酸素液が前記第一窒素精留部（２１）（の塔頂あるいは上部精留部）に送るための配管ライン（Ｌ２２１）と、
前記第二凝縮器（４）から前記第一凝縮器（３）へ富化酸素液を送る配管ラインと、
前記第二窒素精留部（２２）の塔頂（２２３）から導出され前記第一凝縮器（３）へガス（蒸発ガス）を送り凝縮（冷却）され前記塔頂（２２３）へ戻す配管ラインと、
前記第二窒素精留部（２２）の塔頂（２２３）から導出され前記第二凝縮器（４）へガス（蒸発ガス）を送り凝縮（冷却）され前記塔頂（２２３）へ戻す配管ラインと、
前記第一凝縮器（３）の塔頂（３１）から導出され前記主熱交換器（１）（の一部）を通過させ前記エキスパンダー（９２）で膨張され前記主熱交換器（１）を通過させて導出されるガスのための廃ガス配管ライン（Ｌ３１）と、
前記第二凝縮器（４）の塔頂（４１）から導出され前記コンプレッサー（９１）で圧縮され前記主熱交換器（１）（の一部）を通過し前記第一窒素精留部（２１）へ導入されるガスのためのリサイクル配管ライン（Ｌ４１）と、
前記第二窒素精留部（２２）の塔頂（２２３）から導出される富化窒素ガスを前記主熱交換器（１）を通過させて導出するための窒素ガスライン（Ｌ２２３）と、
前記第一窒素精留部（２１）（の中間あるいは上部精留部）から導出され、高純度酸素精留塔（５）（（酸素精留部（５２）あるいは塔頂（５３））へ酸素含有液（ガス状と液状を含む）を導入するための配管ライン（Ｌ２１２）と、
前記酸素蒸発器（５５）で発生される酸素ガス（蒸気流）一部が導入され、前記酸素再凝縮部（７）へ導入するための配管ライン（Ｌ５２２）と、
を備えていてもよい。

前記空気分離装置（Ａ１、Ａ２）は、
前記第一窒素精留部（２１）の底部（２１１）から導出される富化酸素液が前記酸素蒸発器（５５）へ導入され、次いで前記第二凝縮器（４）へ送るための配管ライン（Ｌ２１１ｂ）と、
前記酸素蒸発器（５５）で使用された後の富化酸素液が前記配管ライン（Ｌ２１１ｂ）から分岐して前記酸素再凝縮器（７）に送られ、前記主熱交換器（１）よりも上流側の前記廃ガス配管ライン（Ｌ３１）に合流する配管ライン（Ｌ２１１ｂ１）と、
前記高純度酸素精留塔（５）の塔頂（５３）から導出されるガスを前記主熱交換器（１）よりも上流側の前記廃ガス配管ライン（Ｌ３１）に合流する配管ライン（Ｌ５３）と、
を備えていてもよい。

前記空気分離装置（Ａ１）は、
前記酸素再凝縮部（７）の底部（７１）で再液化される高純度酸素液を取り出す第一取出配管ライン（Ｌ７１）を備えていてもよい。
前記第一取出配管ライン（Ｌ７１）で取り出される高純度酸素液は、加圧装置で所定圧に加圧してから需要ポイントへ送られてもよい。
前記第一取出配管ライン（Ｌ７１）で取り出される高純度酸素液は、前記主熱交換器（１）を通過させて（蒸発させて）酸素ガスにしてから需要ポイントへ送られてもよい。

前記空気分離装置（Ａ２）は、
前記酸素再凝縮器（７）の一次側（下部）に酸素ミストセパレータ（７５）を備えていてもよい。
前記配管ライン（Ｌ５２２）は、前記酸素蒸発器（５）で発生される酸素ガス（蒸気流）一部を、酸素ミストセパレータ（７５）より下方に導入されるように設定されていてもよい。
前記空気分離装置（Ａ２）は、
前記酸素再凝縮部（７）の前記酸素ミストセパレータ（７５）よりも上方から高純度酸素液を取り出す第二取出配管ライン（Ｌ７２）と、
前記酸素再凝縮部（７）の底部（７１）に貯留している高純度酸素液を導出し、前記高純度酸素精留塔（５）（の前記酸素蒸発器（５５）の上方）へ導入するための配管ライン（Ｌ７１１）を備えていてもよい。
前記第二取出配管ライン（Ｌ７２）で取り出される高純度酸素液は、加圧装置で所定圧に加圧してから需要ポイントへ送られてもよい。
前記第二取出配管ライン（Ｌ７２）で取り出される高純度酸素液は、前記主熱交換器（１）を通過させて（蒸発させて）酸素ガスにしてから需要ポイントへ送られてもよい。

別の開示の空気分離装置（Ｂ１、Ｂ２）は、窒素精留塔（２００）と、高沸点成分が濃縮される第一酸素精留部（５１）と低沸点成分が濃縮される第二酸素精留部（５２）を有する高純度酸素精留塔（５）とを備える。高さ制限などの制約から第一酸素精留部（５１）と第二酸素精留部（５２）が分離されていてよい。第一酸素精留部（５１）の底部（５１１）に貯留する酸素富化液を第二酸素精留部（５２）の塔頂（５２３）へ送るために液送ポンプ（８１）を有していてもよい。ヘッド差があるため、液送ポンプ（８１）が使用される。

前記空気分離装置（Ｂ１、Ｂ２）は、
原料空気を熱交換する主熱交換器（１）と、
前記主熱交換器（１）を通過した原料空気が導入される（中間あるいは下部精留部を有する）窒素精留塔（２００）と、
前記窒素精留塔（２００）の塔頂（２０３）から導出されるガス（蒸発ガス）が導入されて凝縮（冷却）し、前記塔頂（２０３）へ戻す第一、第二凝縮器（３、４）と、
前記第一凝縮器（３）の塔頂（３１）から導出され、前記主熱交換器（１）（の一部）を通過した後でガスを膨張するエキスパンダー（９２）と、
前記第二凝縮器（４）の塔頂（４１）から導出されるガスを圧縮するコンプレッサー（９１）と、
前記窒素精留塔（２００）（の中間２０２あるいは上部精留部）から導出される酸素含有液（ガス状と液状を含む）が導入される（精留部あるいは塔頂を有する）第一酸素精留部（５１）と、
前記第一酸素精留部（５１）の底部（５１１）に貯留する酸素富化液が導入される塔頂（５２３）を有する第二酸素精留部（５２）と、
前記第二酸素精留部（５２）の（酸素精留部の）下部に設置され、酸素ガスの蒸気流を発生させるための酸素蒸発器（５５）と、
前記酸素蒸発器（５５）で発生される酸素ガス（蒸気流）一部が導入され、当該酸素ガスを凝縮（再液化）する酸素再凝縮部（７）と、を備えていてもよい。
前記酸素再凝縮部（７）の底部（７１）から導出される高純度酸素液を加圧する加圧装置（１０）を備えていてもよい。

前記空気分離装置（Ｂ１、Ｂ２）は、
前記主熱交換器（１）を通過させ前記窒素精留塔（２００）の中間あるいは下部精留部へ導入される原料空気のための原料空気配管ライン（Ｌ１）と、
前記窒素精留塔（２００）の底部（２０１）から導出される富化酸素液が前記第二凝縮器（４）（の冷熱に使用されるため）に送るための配管ライン（Ｌ２０１ａ）と、
前記第二凝縮器（４）から前記第一凝縮器（３）へ富化酸素液（冷熱）を送る配管ライン（不図示）と、
前記窒素精留塔（２００）の塔頂（２０３）から導出され前記第一凝縮器（３）へガス（蒸発ガス）を送り凝縮（冷却）され前記塔頂（２０３）へ戻す配管ライン（不図示）と、
前記窒素精留塔（２００）の塔頂（２０３）から導出され前記第二凝縮器（４）へガス（蒸発ガス）を送り凝縮（冷却）され前記塔頂（２０３）へ戻す配管ライン（不図示）と、
前記第二凝縮器（４）の塔頂（４１）から導出され前記コンプレッサー（９１）で圧縮され前記主熱交換器（１）（の一部）を通過し前記窒素精留塔（２００）へ導入されるガスのためのリサイクル配管ライン（Ｌ４１）と、
前記第一凝縮器（３）の塔頂（３１）から導出され前記主熱交換器（１）（の一部）を通過させ前記エキスパンダー（９２）で膨張され前記主熱交換器（１）を通過させて導出されるガスのための廃ガス配管ライン（Ｌ３１）と、
前記窒素精留塔（２００）の塔頂部（２０３）から導出される富化窒素ガスを前記主熱交換器（１）を通過させて導出するための窒素ガスライン（Ｌ２０３）と、
前記窒素精留塔（２００）（の中間あるいは上部精留部）から導出され、第一酸素精留塔（５１）（上部精留部あるいは塔頂（５１３））へ酸素含有液（ガス状と液状を含む）を導入するための配管ライン（Ｌ２０２）と、
前記第一酸素精留部（５１）の底部（５１１）から導出され前記液送ポンプ（８１）によって富化酸素液が前記第二酸素精留部（５２）（の塔頂（５２３）あるいは上部精留部）に送るための配管ライン（Ｌ５１１）と、
前記第二酸素精留部（５２）の塔頂（５２３）からガスを前記第一酸素精留部（５１）の下部精留部あるいは底部（５１１）の気相へ送るための配管ライン（Ｌ５２３）と、
前記酸素蒸発器（５５）で発生される酸素ガス（蒸気流）一部が導入され、前記酸素再凝縮部（７）へ導入するための配管ライン（Ｌ５２２）と、
を備えていてもよい。

前記空気分離装置（Ｂ１、Ｂ２）は、
前記窒素精留塔（２００）の底部（２０１）から導出される富化酸素液が前記酸素蒸発器（５５）へ導入され、次いで前記第二凝縮器（４）へ送るための配管ライン（Ｌ２０１ｂ）と、
前記酸素蒸発器（５５）で使用された後の富化酸素液が前記配管ライン（Ｌ２０１ｂ）から分岐して前記酸素再凝縮部（７）に送られ、前記主熱交換器（１）よりも上流側の前記廃ガス配管ライン（Ｌ３１）に合流する配管ライン（Ｌ２０１ｂ１）と、
前記第一酸素精留塔（５１）の塔頂（５１３）から導出されるガスを前記主熱交換器（１）よりも上流側の前記廃ガス配管ライン（Ｌ３１）に合流する配管ライン（Ｌ５１３）と、を備えていてもよい。

前記空気分離装置（Ｂ１、Ｂ２）は、
前記加圧装置（１０）の底部から、加圧された高純度酸素液を取り出す第三取出配管（Ｌ１０１）と、
前記加圧装置（１０）から導出される酸素ガスを前記第二酸素精留部（５２）の前記酸素蒸発器（５５）より上方へ導入するための配管ライン（Ｌ１０２）と、を備えていてもよい。
また、前記空気分離装置（Ｂ１、Ｂ２）は、
前記加圧装置（１０）から導出される酸素ガスを前記酸素再凝縮部（７）へ導入するための配管ライン、を備えていてもよい。
前記第三取出配管ライン（Ｌ１０１）で取り出される高純度酸素液は、前記主熱交換器（１）を通過させて（蒸発させて）酸素ガスにしてから需要ポイントへ送られてもよい。

前記空気分離装置（Ｂ１）は、
前記酸素再凝縮部（７）の底部（７１）で再液化される高純度酸素液を前記加圧装置（１０）へ導入するための配管ライン（Ｌ７１２）を備えていてもよい。

前記空気分離装置（Ｂ２）は、
前記酸素再凝縮部（７）の一次側（下部）に酸素ミストセパレータ（７５）を備えていてもよい。
前記配管ライン（Ｌ５２２）は、前記酸素蒸発器（５）で発生される酸素ガス（蒸気流）の一部を、酸素ミストセパレータ（７５）より下方に導入されるように設定されていてもよい。
前記空気分離装置（Ｂ２）は、
前記酸素再凝縮部（７）の底部（７１）に貯留している高純度酸素液を導出し、前記第二酸素精留塔（５２）（の前記酸素蒸発器（５５）の上方）へ導入するための配管ライン（Ｌ７１１）と、
前記酸素再凝縮部（７）の前記酸素ミストセパレータ（７５）よりも上方から高純度酸素液を導出し、前記加圧装置（１０）へ送るための配管ライン（Ｌ７２１）と、を備えていてもよい。

前記空気分離装置（Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２）は、
流量測量器、圧力測定器、温度測定器、液レベル測定器などの各種計測器と、
制御弁、仕切弁などの各種弁と、
各要素間を連結する配管と、
ガスをサブクールするサブクーラと、
を有していてもよい。

前記空気分離装置（Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２）は、
前記エキスパンダー（９１）と前記コンプレッサー（９２）とを有するエキスパンダーコンプレッサー（９）を備えていてもよい。エキスパンダー（９１）で得られた動力の少なくとも一部をコンプレッサー（１０）の動力に利用することで、エキスパンダー（９１）で回収されうる動力を効率的に利用できる。

（作用効果）
（１）液送ポンプなどによる不揮発性不純物が濃縮されている高純度酸素液を酸素蒸発器で不揮発性不純物を分離して蒸発させ、酸素再凝縮部に送り再凝縮させることで、不揮発性不純物の含まない（実質的に含まない）高純度酸素液を取り出すことができる。需要ポイントの要求に応じた高純度酸素となるように不揮発性不純物を除去できる。
（２）高純度酸素精留塔から酸素再凝縮部へ高純度酸素を送る際に、高純度酸素ガスに不純物を含む液が仮に随伴していたとしても、酸素ミストセパレータで遮断され、酸素再凝縮部の底部に貯まる。底部から酸素蒸発器に配管ラインＬ７１１で戻される。そして、酸素ミストセパレータより上方から高純度酸素液を製品として取り出すことができる。

実施形態１の空気分離装置を示す図である。 実施形態２の空気分離装置を示す図である。 実施形態３の空気分離装置を示す図である。 実施形態４の空気分離装置を示す図である。

以下に本開示のいくつかの実施形態について説明する。以下に説明する実施形態は、本開示の一例を説明するものである。本開示は以下の実施形態になんら限定されるものではなく、本開示の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形形態も含む。なお、以下で説明される構成の全てが本開示の必須の構成であるとは限らない。上流や下流はガス流の流れ方向を基準にしている。

（実施形態１）
実施形態１の空気分離装置Ａ１について図１を用いて説明する。
空気分離装置Ａ１は、高沸点成分が濃縮される第一窒素精留部２１と、低沸点成分が濃縮される第二窒素精留部２２とを有する窒素精留塔２と、高純度酸素精留塔５とを備える。高さ制限などの制約から第一窒素精留部２１と第二窒素精留部２２が分離され、第二窒素精留塔２２の底部２２１に貯留する酸素富化液を第一窒素精留部２１の塔頂２１３へ送るために液送ポンプ８を備える。

空気分離装置Ａ１は、原料空気を熱交換する主熱交換器１と、エキスパンダーコンプレッサー９と、酸素再凝縮部７を備える。
第一窒素精留部２１は、主熱交換器１を通過した原料空気が導入される。本実施形態では、下部精留部へ導入される。原料空気配管ラインＬ１は、原料空気を主熱交換器１を通過させ第一窒素精留部２１の下部精留部へ導入する。
第二窒素精留部２２は、第一窒素精留部２１の塔頂２１３から導出されるガス（蒸発ガス）が導入される。本実施形態では、精留部２２２の下方または底部２２１の気相へ導入される。配管ラインＬ２１３は、第一窒素精留部２）の塔頂２１３から導出されるガス（蒸発ガス）を第二窒素精留部２２へ送る。
第一、第二凝縮器３、４は、第二窒素精留部２２の塔頂２２３から導出されるガス（蒸発ガス）が導入されて凝縮（冷却）し、塔頂２２３へ戻す。本実施形態では、第一凝縮器３よりも上方に第二凝縮器４が配置されている。配管ラインＬ２１１ａは、第一窒素精留部２１の底部２１１から導出される富化酸素液を第二凝縮器４の冷熱に使用させるために送る。第二凝縮器４から第一凝縮器３へ冷熱を送る配管ラインも設けられている。

エキスパンダーコンプレッサー９のエキスパンダー９２は、第一凝縮器３の塔頂３１から導出され、主熱交換器１の一部を通過した後でガスを膨張する。膨張させたガスは、主熱交換器１通過させて廃ガスとして処理される。廃ガス配管ラインＬ３１は、第一凝縮器３の塔頂３１から導出されるガスを、主熱交換器１の一部を通過させエキスパンダー９２で膨張させた後に主熱交換器１を通過させて導出させる。
エキスパンダーコンプレッサー９のコンプレッサー９１は、第二凝縮器４の塔頂４１から導出されるガスを圧縮する。圧縮したガスは、主熱交換器１の一部を通過し第一窒素精留部２１の底部２１１の気相へ導入される。リサイクル配管ラインＬ４１は、第二凝縮器４の塔頂４１から導出されるガスを、コンプレッサー９１で圧縮させ主熱交換器１の一部を通過させ第一窒素精留部２１へ導入する。
第二窒素精留部２２の塔頂２２３から導出される富化窒素ガスは、窒素ガスラインＬ２２３を介して、主熱交換器１を通過させて導出される。

高純度酸素精留塔５は、第一窒素精留部２１の中間２１２から導出される酸素含有液（ガス状と液状を含む）が導入され、高純度酸素液を精留する。配管ラインＬ２１２は、第一窒素精留部２１の中間２１２から酸素含有液を導出し、高純度酸素精留塔５の塔頂５３へ導入する。
高純度酸素精留塔５の酸素精留部の下部に、酸素ガスの蒸気流を発生させるための酸素蒸発器５５が設けられている。配管Ｌ２１１ｂは、第一窒素精留部２１の底部２１１から富化酸素液を導出し、酸素蒸発器５５の冷熱として使用した後、第二凝縮器４へ送り、冷熱として使用する。
酸素再凝縮部７は、酸素蒸発器５５で発生される酸素ガス（蒸気流）の一部が導入され、酸素ガスを凝縮（再液化）する。配管ラインＬ５２２は、酸素蒸発器５５で発生した酸素ガス（蒸気流）の一部を導出し、酸素再凝縮部７へ導入する。配管ラインＬ２１１ｂから分岐される配管ラインＬ２１１ｂ１は、酸素蒸発器５５で使用された後の富化酸素液を、酸素再凝縮部７に送り冷熱として使用し、主熱交換器１よりも上流側の廃ガス配管ラインＬ３１に合流する。
酸素蒸発器５５で不揮発性不純物を分離した高純度酸素ガスが配管ラインＬ５２２を介して酸素再凝縮部７に送られ、不揮発性不純物を含まない高純度酸素液として再凝縮させることができる。
配管ラインＬ５３は、高純度酸素精留塔５の塔頂５３からガスを導出し、主熱交換器１よりも上流側の廃ガス配管ラインＬ３１に合流する。

第一取出配管ラインＬ７１は、酸素再凝縮部７の底部７１で再液化された高純度酸素液を取り出す。第一取出配管ラインＬ７１で取り出される高純度酸素液は、加圧装置で所定圧に加圧してから需要ポイントへ送られてもよい。第一取出配管ラインＬ７１で取り出される高純度酸素液は、主熱交換器１を通過させて（蒸発させて）酸素ガスにしてから需要ポイントへ送られてもよい。

（実施形態２）
実施形態２の空気分離装置Ａ２について図２を用いて説明する。実施形態２の空気分離装置Ａ２は、実施形態１の空気分離装置Ａ１との違う構成として主に酸素ミストセパレータを備える。実施形態１と同様の構成は説明を省略あるいは簡単に説明する。

酸素ミストセパレータ７５は、酸素再凝縮部７の一次側（下部）に設けられている。配管ラインＬ５２２は、酸素蒸発器５５で発生される酸素ガス（蒸気流）の一部を、酸素ミストセパレータ７５より下方に導入される。
第二取出配管ラインＬ７２は、酸素再凝縮部７の酸素ミストセパレータ７５よりも上方から高純度酸素液を取り出す。配管ラインＬ７１１は、酸素再凝縮部７の底部７１に貯留している高純度酸素液を導出し、高純度酸素精留塔５の酸素蒸発器５５の上方へ導入する。第二取出配管ラインＬ７２で取り出される高純度酸素液は、加圧装置で所定圧に加圧してから需要ポイントへ送られてもよい。第二取出配管ラインＬ７２で取り出される高純度酸素液は、主熱交換器１を通過させて（蒸発させて）酸素ガスにしてから需要ポイントへ送られてもよい。

酸素ミストセパレータ７５は、例えば、水（適）分離器、ミストエリミネータ、規則充填物、不規則充填物などを使用できる。蒸気流の酸素ガスから液分および液分中の不純物を取り除く。酸素ミストセパレータ７５の下方に蒸気流が導入され、蒸気流は上昇し酸素ミストセパレータ７５を通過するときに、底部７１の高濃度酸素液が蒸気流と共に上昇するが、この酸素ミストセパレータ７５で遮断され、それより上にはいかない。

（実施形態３）
実施形態３の空気分離装置Ｂ１について図３を用いて説明する。実施形態３の空気分離装置Ｂ１は、窒素精留塔２００と、高沸点成分が濃縮される第一酸素精留部５１と低沸点成分が濃縮される第二酸素精留部５２を有する高純度酸素精留塔５とを備える。高さ制限などの制約から第一酸素精留部５１と第二酸素精留部５２が分離され、第一酸素精留部５１の底部５１１に貯留する酸素富化液を第二酸素精留部５２の塔頂５２３へ送るために液送ポンプ８１を備える。

空気分離装置Ｂ１は、原料空気を熱交換する主熱交換器１と、エキスパンダーコンプレッサー９と、酸素再凝縮部７を備える。
窒素精留塔２００は、配管Ｌ１を介して、主熱交換器１を通過した原料空気が導入される。
窒素精留塔２００の底部２０１から導出される富化酸素液は、配管ラインＬ２０１ａを介して第二凝縮器４へ送られ、冷熱として使用される。また、第二凝縮器４から第一凝縮器３へ富化酸素液が送られる。
第一、第二凝縮器３、４は、窒素精留塔２００の塔頂２０３から導出されるガス（蒸発ガス）が導入されて凝縮（冷却）し、塔頂２０３へ戻す。
エキスパンダーコンプレッサー９のエキスパンダー９２は、廃ガス配管ラインＬ３１を介して第一凝縮器３の塔頂３１から導出され、主熱交換器１の一部を通過した後でガスを膨張する。膨張させたガスは、廃ガス配管ラインＬ３１を介して主熱交換器１通過させて廃ガスとして処理される。
エキスパンダーコンプレッサー９のコンプレッサー９１は、リサイクル配管ラインＬ４１を介して第二凝縮器４の塔頂４１から導出されるガスを圧縮する。圧縮したガスは、リサイクル配管ラインＬ４１を介して主熱交換器１の一部を通過し窒素精留塔２００の底部２０１の気相へ導入される。
窒素精留塔２の塔頂２３から導出される富化窒素ガスは、窒素ガスラインＬ２０３を介して、主熱交換器１を通過させて導出される。

第一酸素精留部５１は、配管Ｌ２０２を介して、窒素精留塔２００の中間２０２から酸素含有液（ガス状と液状を含む）がその塔頂５１３へ導入される。配管ラインＬ５１３は、第一酸素精留塔５１の塔頂５１３から導出されるガスを主熱交換器１よりも上流側の廃ガス配管ラインＬ３１に合流する。
第二酸素精留部５２は、配管Ｌ５１１を介して、第一酸素精留部５１の底部５１１から酸素富化液から導出されて液送ポンプ８１を使用して導入される塔頂５２３を有する。配管ラインＬ５２３は、第二酸素精留部５２の塔頂５２３からガスを第一酸素精留部５１の底部５１１の気相へ送る。
配管ラインＬ２０１ｂは、窒素精留塔２００の底部２０１から導出される富化酸素液を、冷熱として使用させるために酸素蒸発器５５へ導入し、第二凝縮器４へ送る。配管ラインＬ２０１ｂから分岐する配管ラインＬ２０１ｂ１は、酸素蒸発器５５で使用された後の富化酸素液を、酸素再凝縮部７に送り冷熱として使用した後で、主熱交換器１よりも上流側の廃ガス配管ラインＬ３１に合流する。
第二酸素精留部５２の酸素精留部の下部に、酸素ガスの蒸気流を発生させるための酸素蒸発器５５が設けられる。
酸素再凝縮部７は、配管Ｌ５２２を介して、酸素蒸発器５５で発生される酸素ガス（蒸気流）の一部が導入され、酸素ガスを凝縮（再液化）する。

加圧装置１０は、配管Ｌ７１２を介して、酸素再凝縮部７の底部７１から導出される高純度酸素液を加圧する。
第三取出配管Ｌ１０１は、加圧装置１０の底部から、加圧された高純度酸素液を取り出す。第三取出配管ラインＬ１０１で取り出される高純度酸素液は、主熱交換器１を通過させて（蒸発させて）酸素ガスにしてから需要ポイントへ送られてもよい。
配管ラインＬ１０２は、加圧装置１０から導出される酸素ガスを第二酸素精留部５２の酸素蒸発器５５より上方へ導入する。

（実施形態４）
実施形態４の空気分離装置Ｂ２について図４を用いて説明する。実施形態４の空気分離装置Ｂ２は、実施形態３の空気分離装置Ｂ１との違う構成として主に酸素ミストセパレータを備える。実施形態３と同様の構成は説明を省略あるいは簡単に説明する。

酸素ミストセパレータ７５は、酸素再凝縮部７の一次側（下部）に設けられている。配管ラインＬ５２２は、酸素蒸発器５５で発生される酸素ガス（蒸気流）の一部を、酸素ミストセパレータ７５より下方に導入される。
配管ラインＬ７２１は、酸素再凝縮部７の酸素ミストセパレータ７５よりも上方から高純度酸素液を取り出す。配管ラインＬ７１１は、酸素再凝縮部７の底部７１に貯留している高純度酸素液を導出し、高純度酸素精留塔５の酸素蒸発器５５の上方へ導入する。配管ラインＬ７２１で取り出される高純度酸素液は、加圧装置１０に送られる。
加圧装置１０は、高純度酸素液を所定圧に加圧する。第三取出配管Ｌ１０１は、加圧装置１０の底部から、加圧された高純度酸素液を取り出す。第三取出配管ラインＬ１０１で取り出される高純度酸素液は、主熱交換器１を通過させて（蒸発させて）酸素ガスにしてから需要ポイントへ送られてもよい。
配管ラインＬ１０２は、加圧装置１０から導出される酸素ガスを第二酸素精留部５２の酸素蒸発器５５より上方へ導入する。

（実施形態１、図１の実施例）
原料空気が１０．３１ｂａｒＡ、温度５５℃、流量１０５０Ｎｍ^３／ｈで主熱交換器１の温端に供給され、－１６４．２℃まで冷却された後に窒素精留塔２の第一窒素精留部２１に供給される。第二窒素精留部２２の頂部２２３からは、窒素ガスが５３２Ｎｍ^３／ｈ導出され、主熱交換器１で加温された後導出される。
第一窒素精留部２１の底部２１１からは酸素を３９％含む富化液が８０２Ｎｍ^３／ｈ導出され、その内１３７Ｎｍ^３／ｈは第二窒素凝縮器４に供給され、その他の６５５Ｎｍ^３／ｈは、酸素蒸発器５５でー１７５．４℃まで冷却された後、さらに、その内の６４４Ｎｍ^３／ｈは第二窒素凝縮器４に供給され、残りの１１Ｎｍ^３／ｈは酸素再凝縮器７に冷媒として供給され、加温された後にエキスパンダー９２（膨張タービン）から供給される廃ガスと混合された後に主熱交換器１で加温され、排出される。
第二窒素凝縮器４では、リサイクル空気が６．２ｂａｒＡで３９０Ｎｍ^３／ｈ発生され、コンプレッサー９１で１０．２ｂａｒＡまで昇圧された後、主熱交換器１で冷却されてから第一窒素精留部２１にリサイクルされる。
第一窒素凝縮器３では、さらに廃ガスが４．７ｂａｒＡで３９９Ｎｍ^３／ｈ発生され、
主熱交換器１で－１４１℃まで加温された後エキスパンダー９２（膨張タービン）で膨張と同時に冷却され、再度主熱交換器１で加温された後に排出される。
高純度酸素製造のために、第一窒素精留部２１から酸素を１８％含む酸素含有液が１０６Ｎｍ^３／ｈ導出され、１．５ｂａｒＡに減圧された後に高純度酸素精留塔５の頂部５３に供給される。頂部５３からは廃ガスが９７Ｎｍ^３／ｈ導出され、エキスパンダー９２（膨張タービン）から供給される廃ガスと混合された後に主熱交換器１で加温され、排出される。
高純度酸素精留塔５の酸素蒸発器５５の上方（５２）からは、酸素ガスが９Ｎｍ^３／ｈ導出され、酸素再凝縮部７で液化されて高純度酸素液が底部７１に貯留する。
窒素精留塔２は上下２分割されており、中間に液送ポンプ８（還流液ポンプ）が配置される。本実施例では、窒素精留塔２の理論段数は６８で、分割点を理論段数で中間の３４の点とすると、液送ポンプ８で処理する還流液量は９９８Ｎｍ^３／ｈである。理論段数は、精留塔の最下点の段を１段目として、最上点を６８段目とする。この場合、酸素含有液の導出点は理論段数１５段目の点であり、この点に供給される還流液量は９３３Ｎｍ^３／ｈである。
液送ポンプ８から１ｐｐｂ相当の金属不純物(不揮発性不純物)が還流液に混入した場合、酸素含有液の金属不純物量は、以下となる。
１［ｐｐｂ］ × ９９８［Ｎｍ^３／ｈ］ ÷ ９３３［Ｎｍ^３／ｈ］ ＝ １．０７ ［ｐｐｂ ］
さらに酸素含有液は１０６Ｎｍ^３／ｈ で高純度酸素精留塔５に導入されて、底部５１では９Ｎｍ^３／ｈ相当の酸素が濃縮される。酸素液としては、以下の金属不純物が含まれる。
１．０７［ｐｐｂ］×１０６［Ｎｍ^３／ｈ］÷９［Ｎｍ^３／ｈ］＝１２．６［ｐｐｂ］
本実施形態１では、図１のように酸素ガスとして、高純度酸素精留塔５の底部５１から導出するに際しては、金属不純物は不揮発性であるため、金属不純物は酸素ガス中に含まれることはなく、酸素再凝縮部７で凝縮することによって、金属不純物を含まない高純度酸素液を得ることができる。
液体酸素は、ポンプや圧縮機を使用することなく、外部からの入熱で加圧することができるので、高純度酸素を供給するのに適している。この方法では、金属不純物は高純度酸素精留塔の下部に蓄積されるが、高純度酸素精留塔の底部には十分な空間があるので、酸素精留塔の運転期間にわたって蓄積しても、熱交換器内の酸素流路を閉塞するような問題になることはなく、または定期的に液体酸素をパージすることで不純物を排出することもできる。

（実施形態２、図２の実施例）
酸素再凝縮部７の下部にミストセパレータ７５が配置されている。高純度酸素精留塔５の酸素蒸発器５５の上方（５２）からガスを導出する配管を設計する際、導出配管入り口付近に液滴が存在する可能性がある。この液滴は還流液として高純度酸素精留塔５に供給され、降下してきたものも含まれるし、高純度酸素精留塔５の底部に貯められた高純度酸素液（金属不純物含む）が酸素蒸発器５５から供給される酸素ガスに同伴するように吹き上げられたものも含まれるので、不揮発性の不純物を含みうる。
したがって、このような液滴（微小飛沫）が導出される酸素ガスに同伴して酸素再凝縮部７内に入りこまないように、液滴の物性と酸素ガス流速を考慮して十分な飛沫同伴防止高さに設定する。しかしながら、酸素再凝縮部７からの高純度酸素液の導出や、酸素ガスの凝縮に伴って酸素再凝縮器７の内部が減圧することで、高純度酸素精留塔５と酸素再凝縮部７の間で差圧が大きくなり（酸素再凝縮部７の内圧＞酸素精留塔５の内圧）、結果的に高速で酸素ガスが配管内に流れ、液滴が酸素再凝縮部７の内部に運ばれる場合がありうる。ミストセパレータ７５は、このように酸素再凝縮部７の内部に運ばれた液滴を酸素ガスから分離することができ、酸素再凝縮部７で液滴を含まない酸素ガスを凝縮させることができる。

（実施形態３、図３の実施例）
高純度酸素精留塔５を上下２分割する。中間に液送ポンプ８１（還流液ポンプ）が配置される。高純度酸素精留塔５の理論段数は５９で、分割点を理論段数で中間の３０の点とすると、液送ポンプ８１で処理する還流液量は６９Ｎｍ３／ｈである。液送ポンプ８１から１ｐｐｂ相当の金属不純物が還流液に混入した場合、高純度酸素精留塔５から導出され得る酸素液としては、以下の金属不純物を含む。
１［ｐｐｂ］×６９［Ｎｍ^３／ｈ］÷９［Ｎｍ^３／ｈ］＝７．７［ｐｐｂ］
実施形態３では、図３のように酸素ガスとして、第二酸素精留部５２の底部５２１から導出するに際しては、金属不純物は不揮発性であるため、酸素蒸発器５５で蒸発させた酸素ガス中には金属不純物が含まれることはなく、これを酸素再凝縮部７に送り凝縮することによって、金属不純物を含まない高純度酸素液を得ることができる。

（実施形態４、図４の実施例）
酸素再凝縮器７の下部にミストセパレータ７５が配置されている。作用効果は実施形態２と同様である。

（別実施形態）
特に明示していないが、各配管ラインに圧力調整装置、流量制御装置などが設置され、圧力調整または流量調整が行われていてもよい。
特に明示していないが、各ラインに制御弁、仕切弁などが設置されていてもよい。
特に明示していないが、各塔に圧力調整装置、温度測定装置などが設置され、圧力調整または温度調整が行われていてもよい。

１ 主熱交換器
２ 窒素精留塔
３ 第一凝縮器
４ 第二凝縮器
５ 高純度酸素精留塔
５５ 酸素蒸発器
７ 酸素再凝縮部
８ 液送ポンプ
９ エキスパンダーコンプレッサー

Claims (4)

1. 高純度酸素液中の不揮発性不純物を低減あるいは除去する方法であって、
   高純度酸素液を製造する空気分離装置における高純度酸素精留塔から得られる高純度酸素液を蒸発させる酸素蒸発工程と、
   前記酸素蒸発工程で蒸発された酸素ガスを再凝縮する酸素再凝縮工程と、を含み、
   前記酸素再凝縮工程は、蒸発された酸素ガスを酸素ミストセパレータよりも下方に導入することを含み、
   前記方法は、さらに前記酸素ミストセパレータよりも上方から凝縮液を取り出す工程を含む、方法。
2. 高沸点成分が濃縮される第一窒素精留部（２１）と、低沸点成分が濃縮される第二窒素精留部（２２）とを有する窒素精留塔（２）と、
   前記第一窒素精留部（２１）から導出される酸素含有液が導入される高純度酸素精留塔（５）と、
   第二窒素精留塔（２２）の底部（２２１）に貯留する酸素富化液を第一窒素精留部（２１）の塔頂（２１３）へ送るために液送ポンプ（８）と、
   前記高純度酸素精留塔（５）の下部に設置され、酸素ガスの蒸気流を発生させるための酸素蒸発器（５５）と、
   前記酸素蒸発器（５５）で発生される酸素ガスの一部が導入され、当該酸素ガスを凝縮する酸素再凝縮部（７）と、を備える、
   空気分離装置。
3. 窒素精留塔（２００）と、
   高沸点成分が濃縮される第一酸素精留部（５１）と低沸点成分が濃縮される第二酸素精留部（５２）を有する高純度酸素精留塔（５）と、
   第一酸素精留部（５１）の底部（５１１）に貯留する酸素富化液を第二酸素精留部（５２）の塔頂（５２３）へ送るために液送ポンプ（８１）と、
   前記第二酸素精留部（５２）の下部に設置され、酸素ガスの蒸気流を発生させるための酸素蒸発器（５５）と、
   前記酸素蒸発器（５５）で発生される酸素ガスの一部が導入され、当該酸素ガスを凝縮する酸素再凝縮部（７）と、を備える、
   空気分離装置。
4. 前記酸素再凝縮部（７）の一次側に酸素ミストセパレータ（７５）をさらに備え、
   前記酸素蒸発器（５）で発生される酸素ガス（蒸気流）の一部が、前記酸素ミストセパレータ（７５）より下方に導入される、
   請求項２または３に記載の空気分離装置。