JPH03194381A - 窒素製造方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野１ 本発明は、空気から窒素等の製品ガスを分離する空気分
離装置に係り、特に高純度窒素を製造するのに好適な方
法および装置に関する。

［従来の技術１ 一般に、空気分離装置は、原料空気を圧縮機にて圧縮昇
圧させ、この圧縮熱により高温となった原料空気をアフ
タークーラーにて冷却し、次いで原料空気中の水分（Ｈ
，Ｏ）および二酸化炭素（ＣＯ２）を吸着塔によって吸
着除去し、ＨｘＯおよびＣＯ□除去後の原料空気を熱交
換器を介して精留塔に供給して製品ガス（窒素あるいは
酸素）を精留分離している。このような空気分離装置は
１例えば特開昭５６−９７７７２号、特開昭５５−４９
６８１号、特開昭５５−３８４２３号、特開昭５４−５
２６６７号、特開昭５４−８４８８８号に開示される。

ところで、半導体製造プロセス等では、大量の窒素が使
用されているが、ここで使用される窒素は、非常に高純
度のものが要求される。特に、窒素中に一酸化炭素、水
素が含まれることは、半導体の性能劣化、品質不良の原
因となり好ましくない。深冷分離により製造された窒素
ガス中には、窒素と同程度の沸点を有するか、それより
低い沸点を有する物質が混入している。この様な物質と
しては、ヘリウム、ネオン、水素、アルゴン。

酸化炭素が挙げられる。一方、炭化水素、塩素、二酸化
炭素、水分等は、窒素より沸点が高いため、窒素中には
ほとんど含まれない。従って、半導体製造プロセスに使
用する窒素を深冷分離による空気分離法で製造する場合
には、水素および一酸化炭素を如何に除去するかが問題
となる。この様な背景のもとで、従来は、窒素ガス中に
含まれる水素、−酸化炭素を除去する精製装置が使用さ
れていた。以下、在来の精製装置の構成について概略説
明する。第３図に従来の水素および一酸化炭素の除去装
置の系統図を示す。

導管４１から供給される水素、−酸化炭素を含む窒素ガ
スに対して、導管４２を通して、ｔｓ焼用の酸素ガスが
添加される。添加する酸素ガスの量は、水素と一酸化炭
素を燃焼するに必要な量より、多少冬目とし、未燃の水
素、−酸化炭素が残存しない様にする。次に、この混合
ガスは、電気ヒータ５１により、９０〜１２０℃程度ま
で昇温した後、燃焼触媒を充填した触媒槽５２に供給さ
れる、これは、水素は室温でも酸素と反応燃焼するが、
−酸化炭素の燃焼開始には前記の温度まで昇温する必要
があるためである。触媒槽５２の中で、水素は酸素と反
応して水分に、−酸化炭素は酸素と反応して二酸化炭素
となる。未反応の加剰に加えられた酸素は１次に設けら
れた酸素吸収触媒（例えばＣｕｔを充填した触媒槽５３
により反応吸収され、窒素ガス中から除去される。次い
で。

導管４６を介して冷却器５４に導かれ、ここで室温まで
冷却される。冷却された窒素ガスは導管４７を介して吸
着塔５５に供給され、ここに充填されている吸着剤によ
り、水分と炭酸ガスが除去される。通常、酸素吸収触媒
槽５３と吸着塔Ｓ５は、夫々２基設置され、切替使用さ
れる。、すなわち、−万が吸収または吸着動作中に他方
はその機能を再生させ、これらを切替えることによって
連続して吸収または吸着動作を行わせる。

このような精製装置を付加することによって、空気分離
装置で製造された窒素を精製し、窒素中から一酸化炭素
、水素を除去することができる。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来技術は装置全体の簡略化とランニングコストの
低減について配慮がされておらず、装置全体が複雑化す
ると共に、高純度の酸素の使用、電力エネルギーの消費
等による運転費がコストアップとなる欠点があった。。

本発明の目的は、分離ガス中に一酸化炭素、水素を含ま
ない簡略化された窒素製造方法および装置を提供するこ
とである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、空気圧縮機で圧縮された原
料空気を反応・燃焼後の温度の高い原料空気と熱交換に
より昇温し、更に加熱器で触媒反応に適した温度まで昇
温させ、該昇温した原料空気中の可燃成分（−酸化炭素
、水素等）と酸素とを触媒槽で反応・燃焼させ、該反応
・燃焼により昇温した原料空気を前記原料空気と熱交換
により冷却後、更に常温まで冷却し、原料空気中の水分
および二酸化炭素等の不純物を除去することにより、達
成される６ 〔作　　　用〕 空気圧縮機で圧縮され昇温した原料空気は、反応・燃焼
後の温度の高い原料空気により昇温し、更に加熱器で触
媒反応に適した温度まで昇温する０次に触媒槽で昇温し
た原料空気中の可燃成分と酸素とが反応・燃焼し、触媒
槽内で水素、−酸化炭素等の可燃物が除去される。該反
応、燃焼により昇温した原料空気は前記原料空気と熱交
換により冷却され、更に冷却器で常温まで冷却し、不純
物除去装置へ供給される。

〔実　施　例〕

以下、本発明を実施例により説明する。第１図は圧縮空
気が冷却器４を通ってから、水素、−酸化炭素を除去す
る場合の本発明一実施例を示すフローシート図である。

この様な例は、圧縮空気が空気分離以外の用途にも使用
される場合に多く見られ、圧縮空気源が別に設置されて
いる場合などである。

第１図において、フィルター１は原料となる空気中のち
り等を除去する。空気圧縮機２はフィルター１通過後の
原料空気を圧縮（昇圧）する。冷却器４は原料空気を常
温まで冷却する。

従って、冷却器４によって常温まで冷却された圧縮空気
は、熱交換器１０内で、戻りの水素、酸化炭素等の可燃
物を除去された温度の高い圧縮空気と熱交換して温度上
昇する。更に加熱器９により昇温されてから、触媒槽３
に入る。該触媒槽３には、白金やパラジウム等の触媒が
充填されており、ここで空気中の可燃成分が燃焼される
。

従って、触媒槽３内で水素、−酸化炭素等の可燃物が燃
焼除去され、熱交換器１０内で常温まで冷却される。吸
着塔５には、水分および二酸化炭素等の不純物を吸着す
る吸着剤が充填されており、ここで原料空気中の水分お
よび二酸化炭素等の不純物を吸着除去する。１００は深
冷分離部であり、熱交換器６、精留塔７等で構成される
。熱交換器６は、原料空気を精留塔７からの戻りガスの
寒冷によって深冷温度まで低下させる。精留塔７は、熱
交換器６によって低温となった原料空気の供給を受け、
製品ガス（この例では、窒素のみ）を精留分離する。こ
こでの廃ガスおよび製品ガスは、熱交換器６の戻りガス
となる。８は精留塔上部の凝縮器、１１〜２３は導管、
３１は膨張弁、３２〜３９は吸着塔５の切替弁である。

水素、−酸化炭素等を燃焼させる燃焼触媒を充填した触
媒槽３は、加熱器９の出口と、熱交換器ｌＯの中間に設
けられている。これは、昇温および加熱により空気の温
度が９０〜１２０”ｃに上昇していることを利用して触
媒槽３における反応を起こさせるためである。空気中の
水素、−酸化炭素等の可燃物は空気中に大過剰に存在す
る酸素と燃焼触媒のもとで反応する。反応生成物は、水
分および二酸化炭素等の不純物である。酸素２１％に対
して、水素、−酸化炭素の濃度は高々数十ｐｐｍ程度で
あり、未反応の水素、−酸化炭素が残存する可能性は非
常に希である０反応による生成熱もわずかであり、温度
上昇は高々数置Ｃなので、加熱防止等の考慮は必要でな
い。水素、−酸化炭素等の可燃物が燃焼除去された空気
は、導管た後、導管１４により、吸着塔５に導かれる。

吸着塔５は通常２基かそれ以上膜けられ、一方を再生し
ながら、交互に切替えられて使用される。吸着塔５には
水分、炭酸ガス等の不純物を吸着除去する吸着剤が充填
されているので、吸着塔出口の空気中には水分、二酸化
炭素等の不純物はほとんど含まれない。吸着塔５を出た
空気は、熱交換器６、精留塔７等で構成される深冷分離
部１００に導かれる。まず、導管１５により原料空気は
熱交換器６に導入される。原料空気は、ここで窒素ガス
、廃ガスと熱交換し冷却される。更にこの空気は、精留
塔７の底部に導管１６を通して供給される。ここで、原
料空気は塔内に多数設けられている精留皿上の液体と気
液接触し、精留分離される。この結果、精留塔７の底部
には酸素濃度の高い液体空気が溜る。一方窒素ガスは、
精留塔上部の導管１７を通して精留塔より抜出され、空
気熱交換器６の内部で温度回復して、製品窒素ガスとし
て導管１８を通して送出される。この場合、精留操作前
でＣｏ、Ｈ２を除去しており、製品窒素ガス中に一酸化
炭素、水素等の可燃成分は含まれない、なお、この例で
は、精留塔７は、窒素のみを製造する単式精留塔とした
が、これは酸素ガスを同時に採取する複式精留塔であっ
てもかまわない、一方液体空気は導管１９を通して精留
塔から抜出され、途中膨張弁３１で脱圧され、所謂ジュ
ール・トムソン効果により、温度降下した後、凝縮器８
の冷熱源として凝縮器に供給され、ここで蒸発した後、
導管２１、空気熱交換器６を通して常温まで温度回復し
、吸着塔５の再生ガスとして使用され、大気中に導管２
３を通して放出される。

本実施例は処理空気量の多い場合に、熱交換器によって
熱回収しているので、加熱器の容量を小さくできて有利
である。小型のものでは、第１図における機器の圧縮空
気に対する設置の順番を冷却器４、加熱器９、触媒槽３
とし、この後に更に冷却器４を設けた方が装置として簡
単になる。

第２図は、空気圧縮機による原料空気の圧縮熱を利用す
るために、第１図における冷却器４を取り除いた場合の
本発明の他の実施例である。

即ち、本実施例は長期運転による触媒性能の劣化をカバ
ーし、原料空気中の可燃物と酸素との反応・燃焼による
水素、−酸化炭素の除去の信頼度を向上するために、触
媒槽での反応温度（触媒槽での反応温度は、触媒の種類
、使用方法、対象ガスの種類によって異なるのは周知で
ある）を高目に設定するものである。

第２図において、第１図との違いは空気圧縮機２と熱交
換器１０との間の冷却器４を取り除き。

更に熱交換器１０と吸着塔５との間に冷却器４を設けた
ことにある。即ち、空気圧縮機２による圧縮熱の有効活
用を図る為に、空気圧縮機２の出口と触媒槽３との間に
熱交換器１０と加熱器９とを順次設ける。触媒槽３で反
応・燃焼した原料空気は導管２６で熱交換器ｌＯに導か
れ、前記原料空気と熱交換により冷却後、導管１４で冷
却器４に導かれる。該冷却器４で原料空気を常温まで冷
却し、導管１３で原料空気を吸着塔５に導入する。

従って、空気圧縮機２で昇圧され昇温した原料空気は、
熱交換器１０で反応・燃焼により昇温して５１．： た温度の高い原料空気と熱交換によ）↓温する。

次に、触媒反応に適した温度まで加熱器９により更に昇
温させる。（一般的に触媒による反応温度は１．触媒の
寿命や触媒性能の劣化を考慮して高目に設定する。）該
昇温した原料空気の可燃物を触媒槽３で反応・燃焼させ
る６該反応・燃焼により昇温した原料空気を熱交換器１
０により冷却し。

更に冷却器４により常温まで冷却後吸着塔５に導入する
。

尚、本実施例（第１図も同様）による加熱器９は水素お
よび一酸化炭素等の可燃成分の燃焼に適当な温度まで昇
温しでいる。加熱器の熱源としては、電気、蒸気、燃焼
ガスなどが挙げられる。水素、−酸化炭素等の可燃成分
を除去した後の系統は第１図の場合と同様であり、説明
は省略する。

上述した実施例では、圧縮熱を利用し、更に触媒反応に
よる反応・燃焼熱を利用しているので、水素、−酸化炭
素を燃焼温度まで昇温するヒーターの電力エネルギーが
低減できる。深冷方式の空拓へｌｒ＆壮層しＩｔｎＡ赫
−ｒ転入ｎで　窃壷ヂプ十り沸点の低い炭化水素類も除
去できる等の効果を同時に得ることが出来る。さらに、
本実施例では原料空気中の不純物（水分および二酸化炭
素）の除去手段に吸着塔を用いているが、これは可逆式
熱交換器による除去装置を用いても同様の効果を得るこ
とが出来る。

［発明の効果〕 以上説明したように、本発明によれば、分離ガス中に水
素および一酸化炭素を含まない窒素製造方法および装置
を提供することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、夫々本発明の一実施例を示す窒素
製造装置の系統図であり、第３図は従来の窒素精製装置
の一例を示す系統図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、空気圧縮機で原料空気を圧縮し該圧縮された原料空
   気を反応・燃焼後の温度の高い原料空気と熱交換により
   昇温し、更に加熱器で触媒反応に適した温度まで昇温さ
   せ、該昇温した原料空気中の可燃成分と酸素とを触媒槽
   で反応・燃焼させ、該反応・燃焼により昇温した原料空
   気を前記原料空気と熱交換させて冷却し、更に該原料空
   気を常温まで冷却後原料空気中の不純物を除去し、該不
   純物の除去された原料空気から深冷分離により製品ガス
   を製造することを特徴とする窒素製造方法。 ２、前記触媒反応に適した温度は、原料空気の温度を９
   ０℃〜１２０℃とすることを特徴とする特許請求の範囲
   第１記載の窒素製造方法。 ３、原料空気を圧縮する空気圧縮機と、該圧縮された原
   料空気を昇温する熱交換器と、更に触媒反応に適した温
   度まで昇温する加熱器と、該昇温した原料空気中の可燃
   成分と酸素とを反応・燃焼させる触媒槽と、該触媒槽で
   反応・燃焼後の原料空気を前記熱交換器に導く経路と、
   該熱交換器で前記原料空気と熱交換後不純物除去装置に
   導く経路と、該除去装置で不純物を除去した原料空気か
   ら深冷分離により、製品ガスを製造する深冷分離装置と
   を具備したことを特徴とする窒素製造装置。 ４、前記触媒反応に適した温度は、原料空気の温度を９
   ０℃〜１２０℃としたことを特徴とする特許請求の範囲
   第３記載の窒素製造装置。