JPH04139004A - 酸素の精製方法及び装置 - 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〕 本発明は、酸素の精製方法及び装置に関し、特に半導体
工業に用いられる超高純度酸素を得るための経済的な精
製方法及び装置に関する。

〔従来の技術〕

各半導体工場においては、ウェハープロセスにおいての
各種酸素源として高純度の酸素ガスが用いられている。

このような用途に用いられる酸素においては、該酸素中
に含まれる窒素、アルゴン。

クリプトン等の不活性ガスが問題となるため、超高純度
の酸素の需要が高まってきている。

従来の酸素の精製方法は、一般の空気液化分離装置で製
造される酸素を、触媒による反応と吸着器とを組み合わ
せたガス精製装置にて精製するのが一般的である。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上述の精製装置では、一部の不純物の除
去のみを対象としているため、酸素純度を９９．９％以
上にするのは困難であり、特にアルゴンの除去はこの種
の装置では殆ど行うことかできず、また、製品を液状で
得ることも困難であった。

一方、蒸留塔（精留塔）を用いて高純度酸素を得る方法
も各種提案されているが、これらはいずれも複数の蒸留
塔を用いているため、その構成か複雑であり、設備費や
運転コストに問題があった。

そこで、本発明は、経済的な装置構成で、製品の超高純
度酸素の純度を９９．９９９９９％以上にでき、液とし
ても生産することのできる酸素の精製方法及び装置を提
供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記した目的を達成するために、本発明の酸素の精製方
法は、上部塔と下部塔の中間にコンデンサー・リボイラ
ーを有する複精留塔の下部塔に原料の酸素を導入して精
留分離を行い、該下部塔の上部から、高沸点成分を除去
した留出分を取出し、該留出分を前記上部塔に導入して
精留分離を行い、低沸点成分を該上部塔上部から導出す
るとともに、前記コンデンサー・リボイラー部から超高
純度酸素を製品として取出すことを特徴としている。

また、本発明の酸素の精製装置は、原料の酸素に含まれ
る高沸点成分を精留分離する下部塔と、該下部塔で高沸
点成分を極微量にまで除去した留出分が導入され、該留
出分に含まれる低沸点成分を精留分離して頂部から導出
する上部塔と、該上部塔及び下部塔の中間に設けられた
コンデンサー・リボイラーとを有するとともに、該上部
塔のコンデンサー・リボイラー部から超高純度酸素を製
品として取出す複精留塔を備えたことを特徴としている
。

〔作　用〕

従って、原料の酸素中に含まれるクリプトン。

キセノン　二酸化炭素、各種炭化水素等の高沸点成分は
下部塔の缶出骨として分離導出され、アルゴン、窒素、
−酸化炭素等の低沸点成分は上部塔頂部から分離導出さ
れ、これらの不純物を極微量にまで除去した超高純度酸
素を上部塔のコンデンサー・リボイラー部から液状又は
ガス状で取出すことができる。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて、さらに詳
細に説明する。

まず、第１図乃至第４図は本発明の第１実施例乃至第４
実施例を示すもので、いずれも上部塔１と下部塔２、及
び両塔の中間に設けられたコンデンサー・リボイラー３
とからなる複精留塔４を基本的要素としており、原料の
酸素は、原料導入管５から下部塔２内に導入され、製品
の超高純度酸素は、上部塔２下部のコンデンサー・リボ
イラー３部分に設けたガス製品導出管６あるいは成製品
導出管７から採取される。

第１図に示す第１実施例は、原料を液化酸素とした場合
てあって、上記基本構成に加えて下部塔下部にリボイラ
ー８を配設している。本実施例においては、原料の液化
酸素は下部塔下部又は中下部に設けた原料導入管５から
下部塔２内に導入され、リボイラー８に供給される適宜
な熱媒体ガスにより加熱されて気化し、下部塔２内の上
昇ガスとなる。尚、上記のように、原料の液化酸素を下
部塔２の中下部に導入し、該導入部より下方に数段の精
留段を設けると、塔下部に導入した場合より良い結果が
得られる。また、後述のように下部塔２頂部に分離した
酸素ガスは、導管９から前記コンデンサー・リボイラー
３に導入されて液化し、その一部が導管１０から下部塔
２頂部に戻されて還流液となる。この下部塔２内での精
留操作により、酸素より高沸点のクリプトン、キセノン
、二酸化炭素、各種炭化水素等が塔底部の缶出骨として
濃縮し、頂部にこれらの高沸点成分が除去された酸素ガ
スが分離する。

上記酸素ガスは、前述のようにコンデンサー・リボイラ
ー３に導入されて凝縮液化し、その一部か導管１１．弁
１２を経て減圧後、上部塔１の頂部に上部塔１の還流液
として導入される。この上部塔１では、上記還流液とコ
ンデンサー・リボイラー３で気化した上昇ガスとにより
精留操作が行われ、塔頂部にアルゴン、窒素、−酸化炭
素等の低沸点成分が濃縮し、塔底部にこれらの低沸点成
分及び前記高沸点成分が除去された超高純度酸素が分離
する。

上記超高純度酸素は、前記ガス製品導出管６あるいは成
製品導出管７からガス状あるいは液状で採取され、前記
高沸点成分が濃縮した下部塔２の缶出骨は導管１３から
導出され、前記低沸点成分が濃縮した上部塔１の留出分
は導管１４から導出される。

尚、上記コンデンサー・リボイラー３は、直管式でも良
く、この場合は、前記導管１１を経て上部塔１の頂部へ
導入する液化酸素は下部塔２の上部から導出する。

第２図に示す第２実施例は、原料を酸素ガスとした場合
であって、前記基本構成に加えて上部塔１１部にコンデ
ンサー・エバポレーター１５を配設している。本実施例
においては、原料の酸素ガスは下部塔２の下部に設けた
原料導入管５から下部塔２内に導入され、下部塔２内の
上昇ガスとなる。前記第１実施例と同様に、この下部塔
２内で高沸点成分を除去した酸素は、コンデンサー・リ
ボイラー３で凝縮液化し、その一部か導管１１゜弁１２
を経て上部塔１に導入される。この上部塔１内では、前
記コンデンサー・リボイラー３で気化した上昇ガスと、
前記コンデンサー・エバポレーター１５で凝縮液化した
還流液とにより精留操作が行われ、超高純度酸素が塔底
部に分離する。

下部塔２から上部塔１へ導入される酸素は、液状でもガ
ス状でも良く、ガス状の場合は導管９から想像線で示す
導管１１ａ、弁１２ａを経て上部塔１に導入する。また
、コンデンサー・リボイラー３が直管式の場合には、液
化酸素を下部塔２の上部から導出して上部塔１に導入す
る。尚、コンデンサー・エバポレーター１５には、液体
窒素等の適宜な冷媒体を導入することにより、系全体に
必要な寒冷を供給する。

第３図に示す第３実施例は、上記第２実施例と略同様に
原料を酸素ガスとした場合の構成であるか、前記コンデ
ンサー・リボイラー３及びコンデンサー・エバポレータ
ー１５を外置タイプとし、下部塔２から上部塔１に酸素
ガスを導入するようにしたものである。即ち、下部塔２
頂部の酸素ガスは、導管９に導出された後、その一部が
コンデンサー・リボイラー３に導入されること無くガス
状のまま導管１１．弁１２を介して上部塔１に導入され
る。また、上部塔１頂部のガスは、その−部が導管１６
によりコンデンサー・エバポレータ＝１５に導入され、
適宜な冷媒体から寒冷を供給されて凝縮液化し、導管１
７から上部塔１頂部に還流液として戻される。さらに上
部塔１底部に分離した超高純度液化酸素は、製品として
導出される他、その一部が導管１８からコンデンサー・
リボイラー３に導入され、前記導管９から分岐した導管
１０の酸素ガスと熱交換してこれを液化し、自身は気化
した後、導管１９から上部塔１下部に上昇ガスとして戻
される。また、コンデンサー・リボイラー３部分に設け
た導管６から製品超高純度酸素ガスを導出しても良い。

第４図に示す第４実施例は、前記基本構成に加えて下部
塔２下部にリボイラー８を配設するとともに、上部塔１
上部にコンデンサー・エバポレーター１５を配設してい
る。本実施例においては、原料の酸素はガス状あるいは
液状のいずれても良く、また、下部塔２から上部塔１に
導入する酸素もガス状、液状のいずれでも良い。即ち、
ガス状。

液状いずれの場合でも、下部塔２の上昇ガスはリボイラ
ー８で得られ、又は増強され、下部塔２の還流液はコン
デンサー・リボイラー３で得られる。

同様に、上部塔１の上昇ガスはコンデンサー・リボイラ
ー３で得られ、上部［１の還流液はコンデンサー・エバ
ポレーター１５で得られる。

尚、本実施例では、下部塔２下部に設けるリボイラー８
を外置タイプとし、下部塔２底部のの缶出骨の一部を導
管２０でリボイラー８に導入し、気化後に導管２１から
下部塔２下部に戻すようにしている。

上記いずれの構成においても、原料の酸素中に含まれる
クリプトン、キセノン、二酸化炭素、各種炭化水素等の
高沸点成分か濃縮した下部塔２の缶出骨は導管１３から
分離導出され、アルゴン。

窒素、−酸化炭素等の低沸点成分か濃縮した上部塔１頂
部の留出分は導管１４から分離導出され、これらの不純
物を極微量にまで除去した純度９９゜９９９９９％以上
の超高純度酸素を上部塔１のコンデンサー・リボイラー
３部分から液状又はガス状で取出すことができる。

このように、中間にコンデンサー・リボイラー３を有す
る上部塔１と下部塔２からなる複精留塔４を使用し、下
部塔２で高沸点成分を、上部塔１で低沸点成分をそれぞ
れ精留分離することにより、装置構成を簡略にし、小型
化し得るとともに、２本の精留塔を各々独立して設けた
場合に生じるリボイル／コンデンスに要するユーティリ
ティ量を削減でき、エネルギー効率が向上する。

尚、原料の酸素は、通常の空気液化精留分離によって得
られた液化酸素又は酸素ガスを用いることがてきる。ま
た、実施例２乃至実施例４において、上部塔１に導入す
る酸素ガス又は液化酸素の上部塔１への導入位置は、該
酸素の組成と上部塔１の組成分布とが略同じ精留段へ導
入するのか一般的である。ガスの場合と液の場合で導入
位置は当然異なるが、およその位置は上部塔中上部であ
る。また、コンデンサー・リボイラー３に入る導管９か
ら一部を分岐させて少量放出し、低沸点成分をパージす
ることもできる。さらに、前記コンデンサー・リボイラ
ー３．リボイラー８．コンデンサー・エバポレーター１
５には、直管型、プレートフィン型等、各種構造のもの
を用いることか可能であり、プレートフィン型の場合は
、塔内。

塔外のいずれでも良く、他の条件を勘案してどの形式の
ものを採用するかを決めれば良い。また、プレートフィ
ン型熱交換器の場合は流路としても良い。

第５図は、本発明の具体的な装置構成の一実施例を示す
もので、原料に液化酸素を用い、超高純度液化酸素を製
品として採取するものである。以下、図を参照しなから
酸素を精製する手順に従って説明する。

液化酸素貯槽３０内の原料液化酸素（純度約９９．６％
）は、弁３１を介して圧力的３．４ｋｇ／ＣシＧで原料
導入管５から下部塔２内に導入される。

この液化酸素は、下部塔２底部に設けれたリボイラー８
で気化し、前述のように精留され、底部に前記高沸点成
分が濃縮し、頂部に高沸点成分を分離した酸素ガスが分
離する。下部塔２頂部の酸素ガスは、コンデンサー・リ
ボイラー３で一部が液化して下部塔２の還流液となり、
残部が導管１１゜弁１２を介して２−７　ｋｇ　／　ｃ
ｊ　Ｇに減圧され、上部塔１の中上部に導入される。こ
の上部塔１では、前述のように頂部に低沸点成分が分離
濃縮され、底部に不純物成分を分離した超高純度液化酸
素が分離する。

上記超高純度液化酸素は、成製品導出管７から導出され
、過冷器３２．弁３３を経て採取される。

また、下部塔２底部の缶出分は、その一部が保安用放出
液酸として導管１３．弁３４．蒸発器３５゜流量調節器
３６を経て外部に放出される。上部塔１頂部の留出分は
、導管１６に導出され、その大部分が外置タイプのコン
デンサー・エバポレーター１５に導入されて液化し、導
管１７により還流液として上部塔１に戻され、一部が排
ガスとして導管１４．熱交換器３７．導管３８、弁３９
．消音器４０を介して外部に放出される。

一方、前記リボイラー８のりボイル源及びコンデンサー
φエバポレーター１５のコンデンス源は、以下に説明す
る循環窒素系により供給される。リボイル源及びコンデ
ンス源となる窒素ガスは、まず圧縮機４１により約９　
ｋｇ　／　ｃｄ　Ｇに昇圧された後、導管４２から前記
熱交換器３７に導入される。窒素ガスは、該熱交換器３
７で帰還窒素ガス及び低沸点成分−を濃縮した上部塔１
頂部からの排ガスにより冷却され、導管４３を経て前記
リボイラー８に導入される。このリボイラー８で前記液
化酸素（塔底液）を気化させることにより液化した液化
窒素は、導管４４に導出され、弁４５で約３．０ｋｇ　
／　ｃｄ　Ｇに減圧した後、前記過冷器３２を経て導管
４６から前記コンデンサー・エバポレーター１５に導入
される。この際気液分離を行って液のみをコンデンサー
・エバポレーター１５に導入する。

このコンデンサー・エバポレーター１５で前記留出分を
液化させることにより気化した窒素ガスは、導管４７か
ら前記熱交換器３７に導入され、前記昇圧後の窒素ガス
を冷却するとともに自身は常温に昇温し、導管４８によ
り前記圧縮機４１の吸入側に戻される。

また、第６図は、上部塔１の上部に、装置タイプのコン
デンサー・エバポレーター１５ａと、外置タイプのコン
デンサー・エバポレーター１５ｂとを配置した例を示す
ものである。尚、前記第５図に示した実施例と同一要素
のものには同一符号を付して、その詳細な説明を省略す
る。

コンデンサー・エバポレーター１５ａには、下部塔２底
部の高沸点成分を濃縮した缶出分を導管５０に導出し、
弁５１で減圧して導入しており、コンデンサー・エバポ
レーター１５ｂには、前記循環窒素系の液化窒素が導入
されている。

即ち、下部塔２底部の缶出性は、その一部か導管５０に
導出され、弁５１て約２　、　５　ｋｇ　／　ｃｄ　Ｇ
に減圧してコンデンサー・エバポレーター１５ａに導入
される。この缶■分は、コンデンサー・エノ）ボレータ
ー１５ａで上部塔１頂部の留出分を液化して寒冷を供給
することにより大部分が気化し、気化した缶出性は、導
管５２に導出され、前記熱交換器３７．導管５３．弁５
４．消音器４０を経て排出される。また、一部の缶出性
は、保安液酸として導管５５．弁５６．蒸発器５７．流
量調節器５８を介して外部に放出される。

一方、下部塔２底部のリボイラー８で液化して導管４４
に導出された液化窒素は、その一部が寒冷調整用として
導管５９に分岐して外部に導出され、残部かさらに導管
６０と導管６１とに分岐する。導管６０に分岐した液化
窒素は、前記同様に弁６２で３　、　０　ｋｇ　／　ｃ
ｄ　Ｇに減圧した後にコンデンサー・エバポレーター１
５ｂに導入され、気化して導管４７．熱交換器３７．導
管４８を経て前記圧縮機４１の吸入側に戻される。一方
の導管６１に分岐した液化窒素は、弁６３て３．Ｏｋｚ
／ｃＪＧに減圧した後に前記過冷器３２に導入され、気
化して前記導管４７に合流し、熱交換器３７．導管４８
を経て前記圧縮機４１の吸入側に戻される。

また、本実施例において、上部塔１上部の装置タイプの
コンデンサー・エバポレーター１５８を設けずに、外囲
タイプのコンデンサー・エバポレーター１５ｂに下部塔
２底部の缶出性の流路を設けることもできる。

尚、寒冷源、加熱源は、各種のものを用いることが可能
であり、精留段、温度、圧力等の条件は超高純度窒素に
望まれる純度なとにより適宜設定することができる。さ
らに温度、圧力等を適当に設定すれば、酸素素以外の物
質の精製にも適用することが可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の酸素の精製方法及び装置
は、上部塔と下部塔の中間にコンデンサー・リボイラー
を有する複精留塔の下部塔に原料の酸素を導入して精留
分離を行い、上部塔のコンデンサー・リボイラー部から
超高純度酸素を製品として取出すから、従来の精製装置
で十分に除去しきれなかった不純物成分を除去すること
か可能となり、純度９９．９９９９９％の超高純度酸素
を得られ、さらに液状の超高純度酸素も得ることができ
る。

特に複精留塔を使用することにより装置構成を簡略化小
型化できるので、低コストで装置を建設できるとともに
、高沸点成分除去用精留塔のコンデンサーと、低沸点成
分除去用精留塔のリボイラーを兼用することにより、別
置した場合に必要な上記リボイラーの熱源を不要とし、
その分運転コストの低減も図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図はそれぞれ本発明の基本構成の実施例
を示すもので、第１図は第１実施例を示す系統図、第２
図は第２実施例を示す系統図、第３図は第３実施例を示
す系統図、第４図は第４実施例を示す系統図、第５図及
び第６図はそれぞれ具体的な装置構成の実施例を示す系
統図である。 １・・・上部塔　　２・・・下部塔　　３・・コンデン
サー・リボイラー　　４・・複精留塔　　５・・・原料
導入管　　６・・・ガス製品導出管　　７・・・成製品
導出管　　８・・・リボイラー　　１５・・コンデンサ
エバポレータ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、下部塔下部にリボイラーを、上部塔と下部塔の中間
   にコンデンサー・リボイラーを有する複精留塔の下部塔
   に、原料の液化酸素を導入して精留分離を行い、該下部
   塔の上部又は前記コンデンサー・リボイラーの凝縮側か
   ら、高沸点成分を除去した液化酸素を取出し、該液化酸
   素を前記上部塔上部に還流液として導入して精留分離を
   行い、低沸点成分を該上部塔上部から導出するとともに
   、前記上部塔のコンデンサー・リボイラー部から超高純
   度酸素を製品として取出すことを特徴とする酸素の精製
   方法。 ２、上部塔上部にコンデンサー・エバポレーターを、上
   部塔と下部塔の中間にコンデンサー・リボイラーを有す
   る複精留塔の下部塔に、原料の酸素ガスを導入して精留
   分離を行い、該下部塔の上部又は前記コンデンサー・リ
   ボイラーの凝縮側から、高沸点成分を除去した留出分を
   取出し、該留出分を前記上部塔に導入して精留分離を行
   い、低沸点成分を該上部塔上部から導出するとともに、
   前記上部塔のコンデンサー・リボイラー部から超高純度
   酸素を製品として取出すことを特徴とする酸素の精製方
   法。 ３、上部塔上部にコンデンサー・エバポレーターを、下
   部塔下部にリボイラーを、上部塔と下部塔の中間にコン
   デンサー・リボイラーを有する複精留塔の下部塔に、原
   料の酸素を導入して精留分離を行い、該下部塔の上部又
   は前記コンデンサー・リボイラーの凝縮側から、高沸点
   成分を除去した留出分を取出し、該留出分を前記上部塔
   に導入して精留分離を行い、低沸点成分を該上部塔上部
   から導出するとともに、前記上部塔のコンデンサー・リ
   ボイラー部から超高純度酸素を製品として取出すことを
   特徴とする酸素の精製方法。 ４、請求項３記載の酸素の精製方法において、前記下部
   塔底部に留出した高沸点成分を濃縮含有する液化酸素を
   導出して減圧後、上部塔頂部に設けたコンデンサー・エ
   バポレーターに導入し、該上部塔頂部の酸素ガスを凝縮
   するとともに、自身は気化して導出することを特徴とす
   る酸素の精製方法。 ５、請求項３記載の酸素の精製方法において、前記下部
   塔に原料液化酸素を導入し、該液化酸素を、下部塔下部
   に設けたリボイラーで気化させるとともに、熱媒体ガス
   を循環圧縮機にて昇圧し、熱交換器で冷却した後、前記
   下部塔下部のリボイラーに導入して液化し、該リボイラ
   ーを導出した液化熱媒体ガスを減圧後、前記上部塔上部
   に設けたコンデンサー・エバポレーターに導入して気化
   し、気化後の熱媒体ガスを前記循環圧縮機に循環させる
   ことを特徴とする酸素の精製方法。 ６、前記熱媒体ガスが窒素であることを特徴とする請求
   項５記載の酸素の精製方法。 ７、原料の酸素に含まれる高沸点成分を精留分離する下
   部塔と、該下部塔で高沸点成分を極微量にまで除去した
   留出分が導入され、該留出分に含まれる低沸点成分を精
   留分離して頂部から導出する上部塔と、該上部塔及び下
   部塔の中間に設けられたコンデンサー・リボイラーとを
   有するとともに、該上部塔のコンデンサー・リボイラー
   部から超高純度酸素を製品として取出す経路を有する複
   精留塔を備えたことを特徴とする酸素の精製装置。 ８、前記下部塔の下部に、リボイラーを設けたことを特
   徴とする請求項７記載の酸素の精製装置。 ９、前記上部塔の上部に、コンデンサー・エバポレータ
   ーを設けたことを特徴とする請求項７又は８記載の酸素
   の精製装置。 １０、請求項７記載の酸素の精製装置において、前記下
   部塔下部に、該下部塔に導入される原料液化酸素を気化
   させるリボイラーを設け、前記上部塔の上部に、該上部
   塔頂部に分離した低沸点成分を含む留出分の少なくとも
   一部を再び凝縮させるコンデンサー・エバポレーターを
   設けるとともに、熱媒体ガスを昇圧する循環圧縮機と、
   該循環圧縮機で昇圧した熱媒体ガスを冷却する熱交換器
   と、該熱交換器で冷却した熱媒体ガスを前記リボイラー
   に導入する系統と、該リボイラーで液化した液化熱媒体
   ガスを減圧して前記コンデンサー・エバポレーターに導
   入する系統と、該コンデンサー・エバポレーターで気化
   した熱媒体ガスを前記循環圧縮機に導入循環させる系統
   とを設けたことを特徴とする酸素の精製装置。